Bürstenlose DC-Motoren

2. Ansteuerung/Kommutierung

Der BLDC-Motor dreht sich, weil der Permanentmagnet auf dem Rotor versucht, sich in Richtung des durch die Elektromagnete des Stators erzeugten Magnetfelds auszurichten. Dabei ist das Drehmoment maximal, wenn beide Magnetfelder senkrecht aufeinander stehen. Die Art der Ansteuerung unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht, einmal in der Form der Bestromung der Wicklungen (block- oder sinusförmig), zum anderen in der Methode der Rotorlagenbestimmung. Die Rotorlagenbestimmung ist notwendig, da die Ströme in den Wicklungen zeitlich so umgeschaltet werden müssen, dass das Statormagnetfeld immer senkrecht zum Rotormagnetfeld steht, sich also mit der gewünschten Geschwindigkeit weiterdreht.

2.2 Sinuskommutierung

Die optimale Form der Bestromung ist die Sinuskommutierung, bei der jede Wicklung des Motors mit einer um 120° versetzten Sinuskurve bestromt wird, so dass sich ein kontinuierlich drehendes Statormagnetfeld konstanter Stärke ergibt. Prinzipiell kann die Sinuskommutierung auch eingesetzt werden, wenn nur Hallsensoren zur Bestimmung der Rotorlage zur Verfügung stehen, indem zwischen den Umschaltpunkten interpoliert wird. Dies führt in den meisten Fällen schon zu einer deutlichen Verbesserung des Laufverhaltens des Motors. Bei Lastveränderungen zwischen zwei Hallsensoren wird die Sinuskurve jedoch nicht angepasst, und es kommt zu einer Fehlstellung des Magnetfelds, die erst mit dem nächsten Hallsensorsignal korrigiert wird.

Die Sinuskommutierung erfordert daher idealerweise ein höher auflösendes System zur Bestimmung der Rotorlage, normalerweise einen optischen oder magnetischen Encoder, der die Position des Rotors zu jedem Zeitpunkt hinreichend genau bestimmt und die Ströme entsprechend anpasst.

2.3 Feldorientierte Regelung

Manchmal wird die feldorientierte Regelung noch von der Sinuskommutierung unterschieden, oft werden beide Begriffe aber auch austauschbar gebraucht. Austauschbar werden die Begriffe gebraucht, weil die Sinuskommutierung, so wie sie eben beschrieben wurde, das Statormagnetfeld optimal regelt. 

Solange man in der Beschreibung der Sinuskommutierung ausblendet, wie der Stromregler selbst funktioniert, wird der Unterschied nicht sichtbar. Im Vorhergehenden wurde davon ausgegangen, dass eine sinusförmige Stromvorgabe gemacht wird, die dann – ausreichend schnell – durch den Stromregler in die Wicklung eingeprägt wird. Beide Aufgaben, die Stromvorgabe (die dem Drehmomentregelkreis entspricht) und die Stromregelung der Wicklungen, werden also bei der Sinuskommutierung getrennt betrachtet bzw. von getrennten Reglern durchgeführt. In diesem Fall erhalten jedoch die Stromregler für die Wicklungen mit steigender Geschwindigkeit eine Stromvorgabe, die sich mit hoher Frequenz ändert, während gleichzeitig der stärker werdende Einfluss der Gegen-EMK des Motors kompensiert werden muss. Da die Bandbreite der Stromregler nach oben begrenzt ist, kommt es bei höheren Geschwindigkeiten zu Phasenverschiebungen und Verzerrungen der Ströme, so dass das Statormagnetfeld nicht mehr rechtwinklig zum Rotor steht. 

Die feldorientierte Regelung löst dieses Problem, indem der Stromvektor direkt im drehenden Koordinatensystem des Rotors geregelt wird. Dazu werden die gemessenen Ströme der drei Phasen durch eine Clark-Park-Transformation in das zweiachsige Koordinatensystem des Rotors transformiert. Die Drehmomentvorgabe wird also nicht mehr wie bei der Sinuskommutierung zuerst in Stromvorgaben für die einzelnen Wicklungen umgerechnet, die dann jeweils separat geregelt werden, sondern es werden gleichzeitig im Koordinatensystem des Rotors Stromhöhe und Orientierung des Magnetfelds geregelt und daraus anschließend (durch eine inverse Clark-Park-Transformation) die Ströme für die einzelnen Wicklungen berechnet. Die Regelung ist damit frequenzunabhängig und ergibt auch bei hohen Drehzahlen immer noch optimal sinusförmige Ströme.

2.4 Sensorlose Regelung

Die sensorlose Regelung ist kein weiteres Regelungsverfahren, sondern eine Bezeichnung für Methoden zur Rotorlagenbestimmung, die ohne Sensoren (Hallsensoren, Encoder) auskommen. Diese Methoden zerfallen grob in zwei Klassen:

Einfache sensorlose Ansteuerungen basieren auf der direkten Messung der Gegen-EMK in der jeweils nicht bestromten Wicklung. Diese Methode erfordert im Vergleich zu einer Standardansteuerung eine spezielle Hardware und funktioniert unter ca. 20% der Nenndrehzahl des Motors nicht mehr stabil, da das Mess-Signal zu klein ist. Zudem funktioniert dieses Verfahren nur in Verbindung mit Blockkommutierung, da bei der Sinuskommutierung immer alle drei Spulen gleichzeitig bestromt sind.

Anspruchsvollere Lösungen basieren auf einer sogenannten „Beobachterregelung“, die nicht direkt messbare Größen, wie Geschwindigkeit oder Gegen-EMK, aus anderen vom Stromregler gemessenen Größen rekonstruiert. Der Kern eines solchen Systems ist ein möglichst exaktes Modell des Motors, das parallel zum realen Motor aus den bekannten Eingangsgrößen, wie der gestellten PWM, parallel die Werte berechnet, die auch gemessen werden, wie die Stromhöhe in der Wicklung. Die berechneten Werte werden mit den real gemessenen Werten in jedem Zyklus verglichen. Durch den so ermittelten Beobachterfehler werden die internen Größen des Motormodells permanent nachgeregelt, auf diese Weise erhält man auch für die eigentlich nicht gemessenen Größen – wie die Geschwindigkeit – eine korrekte Schätzung. Obwohl diese Methode nur funktioniert, weil sich die Reaktion der Wicklung durch die induzierte Spannung geschwindigkeitsabhängig ändert, sind die direkt gemessenen Größen auch bei kleineren Geschwindigkeiten noch gut messbar. So erhält man einen „virtuellen Drehgeber“, der ab einer gewissen Minimalgeschwindigkeit die Positions- und Drehzahlinformation mit der gleichen Präzision wie ein realer optischer oder magnetischer Drehgeber liefert. Da bei diesem Verfahren die Gegen-EMK nicht direkt gemessen werden muss, kann sie auch mit Sinuskommutierung bzw. der feldorientierten Regelung kombiniert werden.

Beiden sensorlosen Methoden ist gemeinsam, dass im Stillstand keine Information zur Rotorlage verfügbar ist, es wird also eine spezielle Anlaufmethode benötigt. Ähnlich wie bei einem Schrittmotor wird der Motor dazu im gesteuerten Betrieb einige Kommutierungszyklen betrieben, bis er die notwendige Geschwindigkeit erreicht und die sensorlose Messung eine Rotorposition ermitteln kann.

3. Wichtige Kenngrößen