Wie man bürstenlose Gleichstrommotoren antreibt und steuert

Wie man bürstenlose Gleichstrommotoren antreibt und steuert

Die zunehmende Beliebtheit des bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) ist auf die Verwendung der elektronischen Kommutierung zurückzuführen. Diese ersetzt die herkömmliche Mechanik, bei der die Bürsten auf dem Kommutator reiben, um die Wicklungen im Anker eines Gleichstrommotors zu erregen.

Die elektronische Kommutierung bietet einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Gleichstrommotoren mit Verbesserungen von 20 bis 30 % bei Motoren, die mit derselben Drehzahl und Last laufen. Da die Internationale Energieagentur berichtet, daß 40 % der gesamten Elektrizität weltweit für den Antrieb von Elektromotoren verwendet wird, sind solche Effizienzsteigerungen überzeugend.

Außerdem ist der BLDC-Motor langlebiger. Er behält seine hohe Leistung, während der Wirkungsgrad und die Leistung eines äquivalenten konventionellen Motors aufgrund von Verschleiß abnimmt, was zu einem schlechten Bürstenkontakt, Lichtbögen zwischen den Bürsten und dem Kommutator, die die Energie ableiten, und Schmutz führt, der die elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt.

Dank des höheren Wirkungsgrads können BLDC-Motoren für eine gegebene Ausgangsleistung kleiner, leichter und leiser gemacht werden, was ihre Popularität in Sektoren wie der Automobilindustrie, der weißen Ware und der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HVAC) weiter erhöht. Zu den weiteren Vorteilen von BLDC-Motoren gehören eine überlegene Drehzahl-/Drehmoment-Charakteristik (mit Ausnahme des Drehmoments beim Start), ein dynamischeres Ansprechverhalten, geräuschloser Betrieb und höhere Drehzahlbereiche.

Die Kehrseite der BLDC-Motoren ist ihre Komplexität und die damit verbundene Kostensteigerung. Die elektronische Kommutierung erfordert Überwachungsschaltungen, die ein präzises Timing der Spulenerregung für eine genaue Drehzahl- und Drehmomentsteuerung gewährleisten und gleichzeitig sicherstellen, daß der Motor mit höchster Effizienz läuft.

Glücklicherweise entwickelt sich dieser Sektor rasch weiter, und die Siliziumhersteller bieten jetzt eine breite Palette hochintegrierter BLDC-Motortreiber-Power-MOSFET-Chips mit entweder externen oder eingebetteten Mikrocontrollern an, um den Entwurfsprozeß zu vereinfachen und gleichzeitig die Komponentenkosten zu senken. In diesem Artikel wird erläutert, wie der Designer die Vorteile dieser neuesten Chips nutzen kann, um den Designprozeß zu vereinfachen.

BLDC-Motor-Grundlagen

Alle Elektromotoren, ob mechanisch oder elektronisch kommutiert, folgen der gleichen grundlegenden Methode zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Strom durch eine Wicklung erzeugt ein Magnetfeld, das in Gegenwart eines zweiten Magnetfeldes (typischerweise durch Permanentmagnete initiiert) eine Kraft auf diese Wicklung erzeugt, die ein Maximum erreicht, wenn ihre Leiter im 90°-Winkel zum zweiten Feld stehen. Eine Erhöhung der Anzahl der Spulen erhöht die Motorleistung und glättet die Leistungsabgabe. (Monolithic Power Systems (MPS) hat einen Anwendungshinweis erstellt (siehe Referenz 1), der die grundlegenden Motorkonzepte schön zusammenfaßt).

Ein BLDC-Motor überwindet das Erfordernis eines mechanischen Kommutators durch Umkehrung des Motoraufbaus; die Wicklungen werden zum Stator und die Permanentmagnete werden Teil des Rotors. Der Stator besteht typischerweise aus Stahlblechen, die axial geschlitzt sind, um eine gerade Anzahl von Wicklungen entlang seines Innenumfangs aufzunehmen. Der Rotor besteht aus einer Welle und einer Nabe mit Permanentmagneten, die so angeordnet sind, daß sie zwischen zwei bis acht Polpaare bilden, die abwechselnd Nordpole ‘N’ und Südpole ‘S’ aufweisen. Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für eine gemeinsame Magnetanordnung, in diesem Fall zwei Magnetpaare, die direkt an die Rotornabe geklebt sind.

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Abbildung 1: In einem BLDC-Motor sind die Permanentmagnete am Rotor befestigt. Typische Konfigurationen umfassen zwischen zwei und acht Polpaare, die sich zwischen Nordpolen ‘N’ und Südpolen ‘S’ abwechseln. (Mit freundlicher Genehmigung: MPS)

Da die Wicklungen stationär sind, können permanente Verbindungen hergestellt werden, um sie mit Energie zu versorgen. Damit die stationären Wicklungen den Permanentmagneten bewegen können, müssen die Wicklungen in einer kontrollierten Sequenz erregt (oder kommutiert) werden, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen.

Da das vom Stator erzeugte rotierende Magnetfeld den Rotor mit der gleichen Frequenz umlaufen läßt, wird ein BLDC-Motor als “synchroner” Typ bezeichnet. BLDC-Motoren können ein-, zwei- oder dreiphasig sein. Dreiphasige BLDC-Motoren sind am häufigsten anzutreffen und werden im weiteren Verlauf dieses Artikels behandelt.

Steuerung von BLDC-Motoren

Die bei weitem häufigste Konfiguration für das sequentielle Anlegen von Strom an einen Dreiphasen-BLDC-Motor ist die Verwendung von drei Leistungs-MOSFET-Paaren, die in einer Brückenstruktur angeordnet sind, wie in Abbildung 2 dargestellt. Jedes Paar bestimmt das Schalten einer Phase des Motors. In einer typischen Anordnung werden die High-Side-MOSFETs mittels Puls-Weiten-Modulation (PWM) gesteuert, die die Eingangsgleichspannung in eine modulierte Treiberspannung umwandelt. Die Verwendung der PWM ermöglicht eine Begrenzung des Anlaufstroms und bietet eine präzise Steuerung von Drehzahl und Drehmoment. Die PWM-Frequenz ist ein Kompromiß zwischen den Schaltverlusten, die bei hohen Frequenzen auftreten, und den Welligkeitsströmen, die bei niedrigen Frequenzen auftreten und die im Extremfall den Motor beschädigen können. Normalerweise verwenden Konstrukteure eine PWM-Frequenz, die mindestens eine Größenordnung höher ist als die maximale Motordrehzahl.

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Abbildung 2: Ein Dreiphasen-BLDC-Motor wird typischerweise durch drei Paare von MOSFETs gespeist, die in einer Brückenstruktur angeordnet sind und durch PWM gesteuert werden. Die PWM bietet eine präzise Steuerung von Drehzahl und Drehmoment des Motors. (Blockschaltbild-Diagramm gezeichnet mit Digi-Key Scheme-it®)

Es gibt drei Regelverfahren für die elektronische Kommutierung: trapezförmige, sinusförmige und feldorientierte Regelung. Die Trapeztechnik (im Beispiel unten beschrieben) ist die einfachste. Bei jedem Schritt werden zwei Wicklungen erregt (eine “hohe” und eine “niedrige”), während die andere Wicklung schwimmt. Der Nachteil der Trapeztechnik ist, daß diese “gestufte” Kommutierung eine “Welligkeit” des Drehmoments verursacht, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten.

Die Sinus-Steuerung ist komplexer, aber sie reduziert die Drehmomentwelligkeit. Während dieses Regelverfahrens bleiben alle drei Spulen erregt, wobei der Antriebsstrom in jeder von ihnen um 120° sinusförmig variiert. Das Ergebnis ist eine wesentlich gleichmäßigere Leistungsabgabe im Vergleich zur Trapeztechnik.

Die feldorientierte Regelung beruht auf der Messung und Einstellung der Statorströme, sodaß der Winkel zwischen dem Rotor- und Statorfluß immer 90° beträgt. Diese Technik ist bei hohen Geschwindigkeiten effizienter als die Sinusmethode und bietet im Vergleich zu allen anderen Techniken eine bessere Leistung bei dynamischen Laständerungen. Es gibt praktisch keine Drehmomentwelligkeit, und eine gleichmäßigere, genauere Motorsteuerung kann sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Geschwindigkeiten erreicht werden.

Dieser Artikel wird den Rest der technischen Diskussion auf die Trapeztechnik beschränken.

Bei einem Motor mit Trapez-Steuerschema muß die MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor–Field-Effect-Transistor) Brückenschaltung in einer genau definierten Reihenfolge erfolgen, damit der BLDC-Motor effizient arbeiten kann. Die Schaltfolge wird durch die relativen Positionen der Magnetpaare des Rotors und der Wicklungen des Stators bestimmt. Ein dreiphasiger BLDC-Motor erfordert eine sechsschrittige Kommutierungssequenz, um einen elektrischen Zyklus abzuschließen. Die Anzahl der mechanischen Umdrehungen pro elektrischem Zyklus wird durch die Anzahl der Magnetpaare auf dem Rotor bestimmt. Beispielsweise sind zwei elektrische Zyklen erforderlich, um einen Rotor, der aus zwei Magnetpaaren besteht, mechanisch eine ganze Umdrehung zu erreichen.

Gesteuert vs. sensorlos

Zwei Technologien bieten eine Lösung für positionelles Feedback. Die erste und gängigste verwendet drei Halleffekt-Sensoren, die in den Stator eingebettet und in gleichen Abständen, typischerweise 60° oder 120°, angeordnet sind. Eine zweite, “sensorlose” Steuerungstechnologie kommt bei BLDC-Motoren zum Einsatz, die minimale elektrische Verbindungen erfordern.

In einem mit einem Sensor ausgestatteten BLDC-Motor ist jeder Halleffekt-Sensor mit einem Schalter kombiniert, der ein logisches “Hoch”- (für einen Magnetpol) oder “Tief”-Signal (für den Gegenpol) erzeugt. Die Kommutierungssequenz wird durch die Kombination der Logiksignale von den Hall-Effekt-Sensoren und den zugehörigen Schaltern bestimmt. Zu jedem Zeitpunkt wird mindestens einer der Sensoren durch einen der Magnetpole des Rotors ausgelöst und erzeugt einen Spannungsimpuls.

Abbildung 3 veranschaulicht die Kommutierungssequenz eines dreiphasigen BLDC-Motors, der gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird. Die Hall-Effekt-Sensoren sind an den Positionen “a”, “b” und “c” montiert. Für jeden Schritt in der Kommutierungssequenz wird eine Wicklung (entweder “U”, “V” oder “W”) von der MOSFET-Brücke hochgefahren, während eine Wicklung tiefgefahren wird und die dritte Wicklung potentialfrei bleibt. Zum Beispiel ist oben links in der Abbildung U hoch (bildet einen N-Pol), V niedrig (S) und W potentialfrei. Das resultierende Magnetfeld bewegt den Rotor gegen den Uhrzeigersinn, da seine Permanentmagnete von einer Wicklung abgestoßen und von der nächsten angezogen werden. Die zweite Stufe (unten) zeigt, daß die Wicklung U hoch bleibt, während V auf schwebend und W niedrig schaltet, wodurch die “Rotation” des Magnetfeldes aufrechterhalten und der Rotor mit ihm bewegt wird. Die verbleibenden Kommutierungsschritte, ein elektrischer Zyklus, vollenden eine halbe mechanische Drehung des Rotors.

Abbildung 3: Elektronische Kommutierungssequenz für dreiphasigen BLDC-Motor mit MOSFET-Brücke und Halleffekt-Sensoren. In diesem Fall wird der Rotor gegen den Uhrzeigersinn angetrieben, und die Halleffekt-Sensoren (“a”, “b” und “c”) sind in Abständen von 60° montiert. (Mit freundlicher Genehmigung: MPS)

Abbildung 4 zeigt den Status der Phasenwicklungen in Bezug auf die Signale des Halleffekt-Sensors für den in Abbildung 3 oben gezeigten linksdrehenden Motor.

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Abbildung 4: Logischer Schaltausgang des Halleffektsensors und Zeitdiagramm des Wicklungsstatus für einen dreiphasigen BLDC-Motor, der gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird. Beachten Sie, wie mindestens ein Logikschalter und eine Wicklung ihren Zustand alle 60° ändern. (Mit freundlicher Genehmigung: MPS)

Ein sensorloser BLDC-Motor macht sich die Elektro-Motorische Kraft (EMK) zunutze, die in den Wicklungen jedes Gleichstrommotors einen Strom erzeugt, dessen Magnetfeld der ursprünglichen Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt, wie sie durch das Lenz’sche Gesetz beschrieben wird. Die EMK neigt dazu, sich der Drehung des Motors zu widersetzen, und wird daher als “Gegen-EMK” bezeichnet. Bei einem gegebenen Motor mit festem Magnetfluß und fester Windungszahl ist die EMK proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

Durch Überwachung der Rückseiten-EMK kann ein entsprechend programmierter Mikrocontroller die relativen Positionen von Stator und Rotor bestimmen, ohne daß Hall-Effekt-Sensoren erforderlich sind. Dies vereinfacht die Motorkonstruktion, reduziert die Kosten und eliminiert die zusätzliche Verdrahtung und Anschlüsse zum Motor, die sonst zur Unterstützung der Sensoren erforderlich wären und verbessert so die Zuverlässigkeit.

Da ein stationärer Motor jedoch keine Gegen-EMK erzeugt, ist der Regler nicht in der Lage, die Motorposition beim Start zu bestimmen. Die Lösung besteht darin, den Motor in einer Konfiguration mit offenem Regelkreis zu starten, bis genügend EMK erzeugt wird, damit der Regler die Rotor- und Statorposition bestimmen und dann die Überwachung übernehmen kann. Wenn der Motor in einer Anwendung eingesetzt wird, in der eine Rückwärtsdrehung verboten ist, wird ein anspruchsvolleres Steuerungsregime verwendet.

Die von jeder Wicklung des oben beschriebenen BLDC-Motors erzeugte Gegen-EMK ist in der unteren Hälfte von Abbildung 5 dargestellt. Dies wird mit dem Hall-Effekt-Sensor-Logik-Schaltausgang für einen vergleichbaren BLDC-Motor mit Sensoren verglichen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, daß die Nulldurchgangspunkte für die in der Wicklung erzeugte EMK mit den Schaltzustandsänderungen für die Logikschalter zusammenfallen. Es ist diese Nulldurchgangsinformation, die der Mikrocontroller verwendet, um jede Stufe des Kommutierungszyklus in einem sensorlosen BLDC-Motor auszulösen. (Siehe den Bibliotheksartikel "Steuerung sensorloser BLDC-Motoren über Gegen-EMK - Controlling Sensorless, BLDC Motors via Back EMF”.).

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Abbildung 5: Hall-Effekt-Sensorlogik-Schaltausgang im Vergleich mit der Gegen-EMK für einen BLDC-Motor, der gegen den Uhrzeigersinn angetrieben wird. Beachten Sie, wie die Nulldurchgangspunkte für die Rück-EMK-Informationen, die zur Steuerung eines sensorlosen BLDC-Motors verwendet werden, mit der Zustandsänderung der Logikschalter in einem mit Sensoren ausgestatteten BLDC-Motor zusammenfallen. (Mit freundlicher Genehmigung: MPS)

Entwurf eines BLDC-Motors

Während die Prinzipien der BLDC-Motorkommutierung hier involviert sind, müssen die BLDC-Motorleistung und der Entwurf der Steuerschaltung das nicht sein. Es gibt eine Vielzahl von bewährten integrierten Produkten auf dem Markt, die als Bausteine für die Schaltung verwendet werden können. BLDC-Leistungsmodule, die entweder Gate-Treiber oder integrierte MOSFETs enthalten, bilden das Herzstück der Schaltung.

Der dreiphasige MOSFET-Treiber A4915 von Allegro Microsystems arbeitet als Vortreiber für eine Sechs-Power-MOSFET-Brücke für einen BLDC-Motor. Dieser Baustein ist für batteriebetriebene Produkte vorgesehen. Ein bemerkenswertes Merkmal zur Energieeinsparung ist ein Low-Power-Schlafmodus, der sicherstellt, daß der Baustein minimalen Strom zieht, wenn der Motor nicht gedreht wird. Der Baustein verfügt auch über Synchrongleichrichtung, eine Technik, die von Schaltspannungsreglern übernommen wurde, um den Stromverbrauch zu senken und externe Schottky-Dioden überflüssig zu machen.

Microchip bietet auch einen Vortreiber für eine Sechs-Power-MOSFET-Brücke für einen BLDC-Motor an, diesmal jedoch für kleine sensorlose Einheiten, die in Automobilen, Haushaltsgeräten und Hobbyprodukten verwendet werden. Der Baustein MCP8025 integriert einen Abwärts-Schaltregler (“Buck”) zur Versorgung eines externen Controllers zusätzlich zu zwei LDO-Linearreglern (Low Drop Out) und einer Ladungspumpe zur Versorgung der MOSFET-Brücke.

Dieser Chip hält die Dinge einfach, indem er die Rück-EMK der erdfreien Wicklung mißt, die dann mit dem Neutralpunkt des Motors verglichen wird. Wenn die Rück-EMK den Nullpunkt kreuzt, sendet der Nulldurchgangsdetektor ein Signal an den Host-Controller, um den Kommutierungsreferenzpunkt anzuzeigen.

Der DRV8313 von Texas Instruments geht noch einen Schritt weiter und integriert drei individuell steuerbare Halb-H-Brückentreiber. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Chip nicht nur für die Steuerung von dreiphasigen BLDC-Motoren verwendet werden kann, sondern auch für die Ansteuerung eines mechanisch kommutierten Motors (unter Verwendung von zwei der Halb-H-Brücken) oder von drei unabhängigen Magneten. Der Chip kann bis zu 3,5 A aus einer 8- bis 60-V-Versorgung liefern.

Der DRV8313 verfügt nicht über Sensoreingänge. TI schlägt vor, daß der Chip entweder für sensorgesteuerten oder sensorlosen Betrieb mit einem Mikrocontroller wie dem populären MSP430 kombiniert werden sollte. Eine solche Anordnung, wie in Abbildung 6 dargestellt, bietet ein vollständiges Regelsystem für einen sensorgesteuerten, dreiphasigen BLDC-Motor.

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Abbildung 6: Ein vollständiges Regelkreis-Regelsystem für einen sensorgesteuerten Dreiphasen-BLDC-Motor. Die Schaltung umfaßt einen analogen Drehzahleingang, einen MSP430-Mikrocontroller, der die PWM-Ausgänge für die Leistungs-MOSFETs überwacht, einen Treiber mit sechs MOSFET-Brücken, eine MOSFET-Brücke und einen BLDC-Motor. Die Stator- und Rotorpositionen des Motors werden durch drei Hall-Effekt-Sensoren bestimmt, die Signale an den Mikrocontroller liefern. (Mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments)

TI bietet einen alternativen Baustein, den DRV8308, der die MOSFETs nicht integriert. Er kann jedoch Eingänge von drei Halleffekt-Sensoren direkt aufnehmen und kann daher auf Wunsch ohne zusätzlichen Mikrocontroller verwendet werden.

Während Hall-Effekt-Sensoren eine bewährte Lösung für die Positionsrückmeldung sind, bieten Entwicklungen in der Positionssensortechnologie eine höhere Präzision und versprechen eine effizientere Kommutierungssequenz. Der ADA4571 von Analog Devices ist zum Beispiel ein Winkelsensor und Signalkonditionierer, der die drei Hall-Effekt-Sensoren ersetzen kann.

Die ADA4571 verwendet die Anisotropisch-Magneto-Resistive (AMR)-Technologie. Eine typische Implementierung ist die Montage einer diametral magnetisierten Scheibe am Ende der Welle des BLDC-Motors (siehe Abbildung 7). Das Magnetfeld der Scheibe geht durch die Ebene des Sensors, und der Rotorwinkel wird ohne Kontakt zwischen den mechanischen und elektrischen Komponenten bestimmt.

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Abbildung 7: Ein einzelner Anisotropischer Magneto-Resistiver Sensor kann neben einem auf dem Wellenende des BLDC-Motors montierten Scheibenmagneten platziert werden, wodurch drei Halleffektsensoren für die BLDC-Motorwinkelerfassung ersetzt werden, was Platz spart und die Signalverarbeitung erleichtert.

Der ADA4571 liefert verstärkte Kosinus- und Sinus-Ausgangssignale, die sich auf den Winkel des rotierenden Magnetfeldes beziehen. Der Ausgangsspannungsbereich ist ratiometrisch zur Versorgungsspannung. Analog Devices empfiehlt, den Sensor mit einem 12-Bit-ADC AD7866 zu kombinieren, um die analogen Signale des ADA4571 in das digitale Signal umzuwandeln, das vom Motorantriebscontroller des BLDC oder einem externen Mikrocontroller benötigt wird.

Analog Devices sagt, daß die Verwendung eines einzelnen Winkelsensors die Kommutierungspräzision nicht beeinträchtigt, da der ADA4571 in der Lage ist, den erfaßten Winkelfehler bei BLDC-Motorgeschwindigkeiten bis zu 25.000 U/min auf maximal +/-0,25° zu begrenzen.

Schlußfolgerung

Die elektronische Kommutierung von BLDC-Motoren erfordert eine präzise Steuerung, was die Schaltungstechnik des Motors komplizierter und kostspieliger macht. Allerdings werden diese Nachteile durch Effizienzvorteile wie geringere Leistung, Zuverlässigkeit und Platzbedarf sowie Gewichtseinsparungen des Endprodukts mehr als ausgeglichen. Darüber hinaus erleichtert eine breite Palette bewährter, integrierter BLDC-Motortreiber den Designprozeß erheblich und bietet dem Entwickler mehr Flexibilität bei der Feinabstimmung eines Designs für eine bestimmte Anwendung.

Referenzen

“Grundlagen des bürstenlosen Gleichstrommotors”, Jian Zhao und Yangwei Yu, MPS Application Note (AN047), Juli 2011.