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Beispiel für 24 V DC/60 A Phasenstrom
Beispiel für 325 V DC/1 A Phasenstrom
Beispiel für 560 V DC/9 A Phasenstrom

Es gibt hauptsächlich zwei verschiedene Arten einen EC-Motor anzusteuern: Entweder erfolgt das Einprägen der Phasenströme in die Wicklungen durch Blockkommutierung oder durch eine aufwendigere Sinuskommutierung. Die Blockkommutierung arbeitet so, wie man es von einem bürstenbehafteten Motor her kennt. In jedem Augenblick wird Gleichstrom in zwei der drei Phasen des EC-Motors eingespeist. Abhängig von der Rotorlage werden die beiden bestromten Phasen umgeschaltet. Dadurch entsteht ein trapezförmiger Verlauf der Phasenströme. Ein Rotorlagegeber steuert das Umschalten der Phasen direkt. Das Erkennen der Rotorlage erfolgt meistens durch einen Steuermagneten und drei im Motor eingebaute Hall-Sensoren, die um 120° versetzt angeordnet sind. Pro Kommutierungszyklus entstehen sechs verschiedene Schaltkombinationen, die die drei Phasen alle 60° entsprechend bestromen. Da sich die Bestromung innerhalb der 60° nicht ändert, steht das Rotor- und das Statorfeld nur in der Mitte eines 60°-Sektors exakt 90° zueinander. Nur hier ist das mit dem eingeprägten Phasenstrom erzeugte Drehmoment am größten, nimmt aber stetig bis zu den Umschaltpunkten am Anfang und am Ende des 60° Sektors um bis zu 13,4 % ab.

Bei der Sinuskommutierung wird der EC-Motor wie eine Drehfeldmaschine behandelt. Dabei werden sinusförmige Ströme in alle drei Phasen eingespeist, sodass ein kontinuierlich drehendes Magnetfeld mit konstanter Amplitude entsteht.

Feldorientiert genauer regeln

Die Feldorientierte Regelung (FOC, Field Oriented Control), auch Vektorregelung genannt, eignet sich für dieses Ansteuerkonzept am besten. Dabei werden die sinusförmigen Wechselgrößen nicht direkt in ihrem zeitlichen Momentanwert geregelt, sondern in einem um den Phasenwinkel innerhalb der Periode korrigierten Momentanwert. Im Stator entsteht dadurch ein Magnetfeld, das sich exakt mit der Rotordrehzahl dreht und immer einen Winkel von genau 90° zum Magnetfeld des Rotors hat. Dazu werden die erfassten Wechselgrößen jeweils in ein mit der Frequenz des Rotors rotierendes Koordinatensystem übertragen und durch die sogenannte Clarke-Park-Transformationen in Gleichgrößen, nämlich den d- und q-Vektoren, umgewandelt. Der q-Wert des Phasenstromes bildet das Drehmoment und der d-Wert die magnetische Flussdichte ab. Da hierbei sowohl das durch die Phasenströme erzeugte Statormagnetfeld als auch das durch den Dauermagneten erzeugte Rotormagnetfeld immer senkrecht zueinander stehen, ist das Drehmoment und die Energieeffizienz über die gesamte Rotordrehung konstant. Die Wicklungen werden bei der FOC also nicht mehr 60° Sektor-orientiert geschaltet, sondern durch bestimmte Regelalgorithmen gepulst angesteuert. Daraus resultiert abhängig von der Rotorposition ein optimales Statormagnetfeld. Die Berechnung der statorbezogenen d- und q-Vektoren erfolgt mithilfe der genannten Transformationen und den gemessenen Phasenströmen. Voraussetzung für das Erzeugen eines optimalen Statorfeldes ist das genaue Bestimmen der Rotorposition zu jedem Augenblick. Dies ist mit einem Inkrementalgeber, Resolver oder präzisen Winkelsensoren möglich. Das bedeutet aber einen zusätzlichen Verdrahtungs- und Elektronikaufwand.

Rotorposition berechnen

In vielen Anwendungsfällen wird aber der Verzicht auf den Lagegeber gefordert, weil die Anforderungen an möglichst kleine Baugröße, niedrige Kosten und eine große Robustheit des Antriebssystems einen immer höheren Stellenwert einnehmen. Ist kein Rotorlagegeber vorhanden, muss die exakte Rotorlage anhand der vorhandenden elektrischen Größen bestimmt werden – beispielsweise anhand der augenblicklichen Phasenströme und -spannungen. Man Spricht dann von der sensorlosen Kommutierung.

Im Gegensatz zur Blockkommutierung, bei der man auch anhand der induzierten Spannung in der nicht bestromten Motorwicklung die Rotorlage ohne Sensoren ermitteln kann, lässt sich bei der feldorientierten Regelung die Lage geberlos nur durch Analyse der Phasenströme und -spannungen erfassen. Auf Basis des mathematischen Motormodells werden Berechnungen angestellt und die Rotorlage durch einen sogenannten Beobachter ermittelt. Hierfür sind die Daten des Motors wie Induktivität und ohmscher Widerstand der Wicklungen sowie die EMK-Konstante (EMK, Elektromechanische Kraft) notwendig. Eine EMK-Auswertung wie bei der Blockkommutierung ist hier nicht möglich, weil es keinen Zeitpunkt gibt, an dem eine Wicklung des Stators nicht bestromt ist.

Nachteilig bei der sensorlosen Kommutierung ist, dass im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen keine auswertbare Gegen-EMK erzeugt wird – bei der feldorientierten Regelung lassen sich nur sehr kleine Phasenströme und -spannungen analysieren. Deshalb wird  beim Anlauf ein sich drehendes Magnetfeld mit einer steigenden Frequenz erzeugt, dem der Rotor dann folgt bis eine Auswertung der gemessenen und berechneten elektrischen Größen möglich ist. Der Motor arbeitet in der Anlaufphase im gesteuerten Betrieb. Um diesen Nachteil zu kompensieren, werden weitere Verfahren benötigt, mit denen die Rotorposition mit der Auswertung drehzahlunabhängiger Effekte des Motors bestimmt werden kann. Mithilfe eines eingeprägten Testsignals lässt sich zum Beispiel auch im Stillstand und bei kleiner Drehzahl der Rotorwinkel bestimmen. Eine Genauigkeit der Rotorposition von ±30° ist hierbei möglich. Dadurch steht im Anlauf bereits ausreichend Drehmoment zur Verfügung, sodass der Antrieb auch bei entsprechender Last anläuft.

Neue Prozessoren regeln in Echtzeit

Die optimale Drehmomenterzeugung hängt aber auch von einer schnellen Messung des Stroms und den mathematischen Berechnungen für die Transformation in das rotierende Koordinatensystem innerhalb einer PWM-Periode (PWM, Pulsweitenmodulation) ab. Das ganze muss in Echtzeit abgearbeitet werden. Leistungsstarke Mikroprozessoren ebnen hier den Weg für eine neue Generation von Antriebsreglern für EC-Motoren.

Aufgrund vieler Kundenanfragen hat BCE-Elektronik eine Reihe von sensorlosen feldorientierten Regelungen im Bereich von 0  bis 5 kW realisiert, sowohl im Niederspannungsbereich als auch für 230-V-Anwendungen. Alle Baugruppen basieren auf einer sensorlosen feldorientierten Regelung für permanenterregte Synchronmaschinen (EC-Motoren). Die zwei bekannten Bauweisen des Rotors werden dabei berücksichtigt: Das sind zum einen Rotoren mit oberflächenmontierten Magneten und zum anderen Rotoren mit eingebetteten Magneten.

Die FOC-Regelung besteht aus einem Drehzahlregler, basierend auf einem unterlagerten Stromregler. Das sorgt für hohe Drehzahlkonstanz und vibrationsfreien, geräuscharmen Motorlauf sowie ein konstantes Drehmoment. Die einzigen Messgrößen, die für die feldorientierten Regelung benötigt werden, sind die drei Phasenströme in den Motowicklungen. Durch das Berechnen des mathematischen Motormodells wird der Rotorposition sensorlos bestimmt und die korrekten Phasensignale für den Leistungstreiber generiert. Optional lassen sich auch Hallsensoren oder Encoder auswerten. Ebenso ist die sensorlose Rotorlageerkennung im Stillstand durch Ausmessen der Induktivitätsverteilung gegeben. Dadurch steht bereits aus dem Stillstand des Motors heraus ausreichend Drehmoment für einen sicheren Anlauf zur Verfügung.

Für die Umsetzung des FOC-Algorithmus kommt ein leistungsstarker und preisgünstiger 32-bit ARM-Microcontroller zum Einsatz. Der FOC-Algorithmus ist dabei komplett in Software realisiert. Das führt zu einem geringen Hardwareaufwand und einer hohen Flexibilität bei der Anpassung an unterschiedliche Anwendungen. Zur optimalen Ansteuerung der Leistungsendstufe wurde das Verfahren der Raumzeigermodulation (space vector modulation) implementiert. Ein weiteres Merkmal der Regelung ist der Feldschwächebetrieb. Das erhöht zwar die Drehzahlgrenze des EC-Motors, jedoch verringert sich dadurch das maximal mögliche Drehmoment.

Je nach Anwendungsbereich (Speisespannung)  ist der Leistungsteil entweder als eine diskret aufgebaute Mosfet-Endstufe oder als IGBT-Modul ausgeführt. Die Taktfrequenz des PWM-Signals ist von 5 bis 20 kHz einstellbar. Der Wirkungsgrad der Elektronik liegt bei maximal 98,5 %. Diverse Eingänge für Freigabe oder Drehrichtung können zur Verfügung gestellt werden. Die Eingabe der Solldrehzahl kann zum Beispiel über einen Analogeingang (0 bis 10 V) oder über PWM erfolgen. Die meisten Regler sind mit den Schnittstellen USB und CAN ausstattet. Über eine Software für Windows lassen sich alle Parameter und Einstellungen konfigurieren.

SPS IPC Drives 2012
Halle 1, Stand 659