Steuerung von BLDC-Motoren: Ein Leitfaden für Anfänger

Fast jeder hat schon einmal einen kleinen Gleichstrommotor gesteuert. Alles, was er braucht, ist eine Stromquelle, z. B. eine Batterie, und der Rotor wird zum Leben erweckt. Mit einem Tischnetzteil können Sie sogar die Drehzahl durch Ändern der Spannung steuern. Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC) ist dies jedoch aufgrund seiner Bauweise nicht möglich.

Bürsten-Gleichstrommotoren sind einfach zu bedienen, da die Kommutierungsmethode mechanisch ist. Die Position der Kohlebürsten im Verhältnis zum Kommutator sorgt dafür, dass die entsprechenden Spulen genau im richtigen Moment in Bezug auf das magnetic field generated by the permanent magnets mit Strom versorgt werden.

BLDC-Motoren hingegen benötigen eine elektronische Kommutierung. Die Verbindung zu den einzelnen Spulen wird aus dem Gehäuse herausgeführt, und der Entwickler ist dafür verantwortlich, sie in der richtigen Reihenfolge mit Strom zu versorgen.

Struktur des Motors

Bevor wir uns mit der elektrischen Steuerung befassen, müssen wir den mechanischen Aufbau eines bürstenlosen Gleichstrommotors verstehen. Ein BLDCMotor hat in der Regel drei Anschlüsse, die in vielen Artikeln über ihre Verwendung als U, V und W bezeichnet werden. Der Permanentmagnet ist am Rotor befestigt, während die Spulenwicklungen (Stator) am Motorgehäuse angebracht sind.
  Ein wichtiger Aspekt der Motorkonstruktion ist die Anzahl der Nord-/Südpole auf dem Rotor, die üblicherweise als Polpaare bezeichnet werden. Die meisten Motoren haben zwei Polpaare (vier Pole), obwohl die Anzahl auch drei, vier oder sogar nur eins (zwei Pole) sein kann. Weniger Polpaare bedeuten, dass sich der Rotor schneller drehen kann, aber das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen ist geringer als bei mehr Polpaaren. Mehr Polpaare verbessern das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, aber die Höchstgeschwindigkeit kann niedriger sein als bei einem Motor vergleichbarer Größe.
  Je nach Dokumentation wird die Statorwicklung in Stern-, Y- oder Wye-Schaltung angeschlossen, was alles dasselbe bedeutet. Einige Motoren verfügen auch über einen vierten Anschluss, der an den Punkt verbunden ist, an dem sich die drei Spulen treffen. Dieser kann in einigen Schaltungen als Teil des Motorsteuerungskonzepts verwendet werden, sollte aber während des Betriebs auf der Hälfte der Spannung liegen, die an den beiden aktiven Phasen anliegt, und er sollte potenzialfrei bleiben.

Es gibt auch viele verschiedene Varianten von BLDC-Motoren, die auf die Bedürfnisse bestimmter Anwendungen zugeschnitten sind. Für Drohnen und Modellflugzeuge sind zum Beispiel Außenläufermotoren sehr beliebt. Hier befindet sich der Stator in der Mitte und der Rotor mit seinen Permanentmagneten an der Außenseite. Dadurch kann die Kühlung verbessert werden, und die höhere Trägheit der Konstruktion trägt dazu bei, die Motordrehzahl stabil zu halten. Trotz der Unterschiede bleibt der Steuerungsansatz derselbe.
  Es ist wichtig zu beachten, dass eine unglaubliche Anzahl von Designs und Konstruktionsmaterialien für BLDC-Motoren verwendet werden, also betrachten Sie die obigen Angaben nur als erste Orientierung. Qualitätsmotorhersteller bieten auf ihren Websites eine Fülle von Informationen zu Drehmoment, Höchstgeschwindigkeit, Polpaaren und Faktoren wie Größe, Volumen und Nennleistung.

Kommutierung des Motors

Da der Rotor der Teil mit dem Permanentmagneten ist, ist es die Aufgabe des Konstrukteurs, ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, dem der Rotor folgt. Das bedeutet, dass die Statorspulen in einer bestimmten Reihenfolge erregt werden müssen. Jeder Stator muss einmal als Nordpol und einmal als Südpol erregt werden. Bei drei Statoren bedeutet dies, dass wir eine Abfolge von sechs Schritten haben, um die elektronische Kommutierung zu realisieren.
  Elektrisch gesehen benötigen wir in jeder Phase eine Spule, die an die Stromversorgung angeschlossen ist, eine, die mit der Masse verbunden ist, und eine, die offen bleibt.
  Zu diesem Zweck wird eine dreiphasige Brückenschaltung verwendet. Sie besteht aus sechs MOSFETs, die von einem Mikrocontroller oder einem speziellen integrierten BLDC-Motortreiberchip gesteuert werden. Wie bei der H-Brücke zur Steuerung von Bürsten-Gleichstrommotoren besteht die Gefahr eines Kurzschlusses. Daher muss beim Schreiben der Software für einen Mikrocontroller darauf geachtet werden, dass die hohe und die niedrige Seite eines Zweigs nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.

Da die Spulen einen sehr niedrigen Widerstand haben, ist es auch riskant, eine Spule über einen längeren Zeitraum eingeschaltet zu lassen. Dies kann vorkommen beim Debuggen von einem Mikrocontrollerprogramm, wenn ein Breakpoint erreicht wird. Einige Mikrocontroller, die auf BLDC-Motorsteuerungsanwendungen abzielen, können ihre Steuerpins deaktivieren, wenn der Debugger den Mikrocontroller anhält.
  An dieser Stelle werden die Dinge etwas komplizierter. Eine elektrische Umdrehung, die diesen sechs Schritten folgt, entspricht nicht immer einer mechanischen Umdrehung! Die mechanische und die elektrische Umdrehung sind gleich, wenn der Motor ein einziges Polpaar hat, wie in den obigen Diagrammen. Bei einem Motor mit zwei Polpaaren entspricht eine elektrische Umdrehung der Hälfte einer mechanischen Umdrehung. Bei vier Polpaaren ergibt sich eine mechanische Drehung von 90°. Es ist wichtig, dies bei der Entwicklung von Software zu berücksichtigen. Erstens müssen Sie bei jeder elektrischen Umdrehung diese Differenz einkalkulieren, wenn Ihre Software die mechanischen Umdrehungen in RPM (Umdrehungen pro Minute) angibt.

Eine weitere wichtige Überlegung ist die Belastung des Prozessors. Bei 100 U/min haben Sie 600 ms (60 Sekunden/100) Zeit, um den Code für eine einzige Umdrehung eines Motors mit einem einzigen Polpaar auszuführen. Für einen Motor mit vier Polpaaren muss derselbe Code in nur 150 ms (ein Viertel der Zeit) ausgeführt werden können. Bei 1.000 U/min sinkt dieser Wert respektive auf 60 ms bzw. 15 ms.

Wenn der Code für die Aufrechterhaltung der Drehzahl ebenfalls berücksichtigt wird (in der Regel ein PID-Regler), kann die Belastung des Prozessors außergewöhnlich hoch sein und sogar die vom Motor erreichbare Drehzahl begrenzen. Aus diesem Grund bieten viele Mikrocontroller-Hersteller spezielle Chips für die Motorsteuerung an, deren Peripherie einen Großteil der Komplexität in die Hardware verlagern.

Das richtige bestellt zum richtigen Zeitpunkt - Rotorpositionssensoren

Welches Spulenpaar schalten Sie also zuerst ein? Nun, die Chance, richtig zu raten, liegt bei eins zu sechs. Um dieses Problem zu lösen, haben viele Motoren entweder einen Rotorsensor oder die Möglichkeit, einen solchen anzubauen. Am preisgünstigsten sind Hall-Sensoren. Diese bieten in der Regel eine Auflösung von 60° oder mehr (360°/6 für einen Motor mit einem Polpaar). Am oberen Ende befinden sich Resolver, ein analoger Sensor, der eine Rückmeldung des Rotorwinkels im Sub-Grad-Bereich liefern kann. Ihr Mikrocontroller oder integrierter BLDCTreiberchip liest diesen Sensor vor dem Einschalten des ersten Spulenpaars aus, sodass der aktuelle Rotorwinkel bekannt ist.
 

Der Vorteil, die Rotorposition zu kennen vor dem Einschalten der Spulen besteht darin, dass ein plötzliches Ruckeln des Rotors zur Anpassung an die Position des angelegten Magnetfelds verhindert wird. Natürlich ist die Kenntnis der Rotorposition während der gesamten Motorkommutierung von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das nächste richtige Spulenpaar zugeschaltet wird, wenn sich der Rotor dreht. Die Rückmeldung des Sensors wird auch an den Regelalgorithmus weitergegeben, sodass die Geschwindigkeit auch bei Laständerungen beibehalten werden kann.

Steuerung der BLDC-Motordrehzahl

Wenn die Rotorposition bekannt ist und das richtige Statorspulenpaar zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden kann, besteht der nächste Schritt darin, die Drehzahl des Motors zu steuern. Dies geschieht auf genau dieselbe Weise wie bei einem Bürsten-Gleichstrommotor: durch Veränderung der Spannung.

Um auf die dreiphasige Brückenschaltung zurückzukommen, werden die drei oberen MOSFETs in der Regel an Mikrocontroller-Pins angeschlossen, die einen pulsweitenmodulierten (PWM) Ausgang erzeugen können. Bei einem niedrigen Tastverhältnis ist die an den Statorspulen anliegende Spannung niedrig. Infolgedessen dreht sich der Motor langsam, und der Mikrocontroller ändert anhand der Rückmeldung des Hallsensors die Ausgangssignale, um den sechsstufigen Kommutierungsprozess mit der entsprechenden Geschwindigkeit durchzuführen. Mit zunehmender Spannung erhöht sich die Rotordrehzahl und die Geschwindigkeit, mit der der Mikrocontroller die sechs Kommutierungsschritte durchführt. Beachten Sie, dass das Anlegen einer Last an den Rotor dazu führt, dass er langsamer wird, es sei denn, es wurde ein Drehzahlregelungsalgorithmus (PID) implementiert.
 

Erweiterte BLDC-Regelungsansätze

Wie bei allem in der Elektronik kann man die Steuerung immer verbessern, wenn man einen Weg findet, die Komplexität zu bewältigen! Ein Sensor auf dem Rotor zum Beispiel erhöht das Gewicht, macht den Motor größer, kostet Geld und ist eine zusätzliche Quelle für mögliche Fehler.

Stattdessen kann die Gegen-EMK des Motors mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) überwacht werden, der die Motorphasen überwacht, die nicht angetrieben werden oder mit der Masse verbunden sind. Dies erfordert aufgrund des Rauschens in solchen Schaltungen eine analoge und digitale Filterung, was den Prozessor zusätzlich belastet. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass ein statischer Rotor keine Gegen-EMK erzeugt und es daher schwierig ist, den Rotorwinkel im Ruhezustand zu bestimmen. Mit einigen cleveren Ansätzen und Software-Algorithmen lässt sich dies jedoch umgehen.

Wenn Sie den Motor schneller als angegeben antreiben möchten, ist dies ebenfalls möglich. Konfigurieren Sie einfach die Kommutierungssoftware so, dass sie ein wenig früher als erforderlich zum nächsten Kommutierungsschritt wechselt, d. h. den nächsten Kommutierungsschritt vorwegnimmt. In der Dokumentation als Phasenvorlauf bezeichnet, können die Motoren mehr als das Doppelte der im Datenblatt angegebenen Maximaldrehzahl erreichen. Dies geht jedoch mit einem Verlust an Drehmoment und einem geringeren elektrischen Wirkungsgrad einher.
  BLDC-Motoren, die mit Sechs-Schritt-Kommutierung angetrieben werden, erzeugen auch eine Drehmomentwelligkeit, eine leichte Ungleichmäßigkeit in der Drehung des Rotors. Durch geschickte Methoden in der Motorkonstruktion lässt sich dies einschränken, kann aber bei Präzisionssteuerungssystemen oder Anwendungen, bei denen hörbare Geräusche auf ein Minimum beschränkt werden müssen, ein Problem darstellen. Wenn Ihr Prozessor dazu in der Lage ist, können Sie die PWM-Ausgänge so variieren, dass eine Sinuswelle erzeugt wird, anstatt einen variablen Gleichstromausgang zu den Statorspulen zu erzeugen. Die Amplitude der Sinuswelle bestimmt die Motordrehzahl, und wenn die Rotordrehzahl zunimmt, muss die Sinuswellenfrequenz steigen, um Schritt zu halten.

Chips für BLDC-Motorsteuerung

Die Suche nach geeigneten Chips für die Steuerung von BLDC-Motoren kann verwirrend sein, da es viele Anbieter für verschiedene Bereiche des Systems gibt. Unternehmen wie Microchip und Infineon bieten Mikrocontroller speziell für Motorsteuerung an. Diese werden oft durch Strom-, Winkel- und Positionssensoren unterstützt. Andere konzentrieren sich auf die Verbindung zwischen dem Mikrocontroller und der dreiphasigen Brücke. Die verwendeten MOSFETs benötigen oft eine beträchtliche Menge an power to drive their gates, daher bieten Anbieter wie Elmos, Toshiba, und Monolithic Power (MPS) (Vor-)Treiber an. Diese Geräte bieten auch einen Kurzschlussschutz, eine Totzeitsteuerung und sogar kleine lineare Regler für die Stromversorgung des Mikrocontrollers und anderer Schaltungen.
  Vollständig integrierte Lösungen gibt es auch von Anbietern wie Melexis. Diese hochintegrierten Chips bieten eine sensorlose Motorsteuerung und werden häufig mit verschiedenen Tools zur Abstimmung des Controllers auf den gewählten Motor geliefert. Schließlich bieten Unternehmen wie Enclustra FPGA IP (geistiges Eigentum) für die Motorsteuerung an. Dies kann mit Xilinx- oder Altera-FPGAs kombiniert werden und bietet eine außergewöhnliche Steuerung und erleichtert die Unterstützung für mehrere Motoranwendungsfälle, da die Grenzen der Steuerung nicht mehr von der Leistung eines Prozessors abhängen.