BLDC-Motoren und integrierte Motortreiber sind der Schlüssel zur Effizienz in der Robotik und bei Drohnen

Seit ihrer Entwicklung in den 1960er Jahren haben sich bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) als effizienter und langlebiger erwiesen als die bürstenbehafteten Gleichstrommotoren (DC-Motoren), die ihnen vorausgingen. Während bei Hochleistungsanwendungen in der Industrie synchrone Wechselstrommotoren (AC) zum Einsatz kamen, werden heute bei vielen anderen Anwendungen BLDC-Motoren verwendet.

BLDC-Motoren sind heute Teil des täglichen Lebens der Verbraucher. Man findet sie in batteriebetriebenen Werkzeugen wie Bohrmaschinen und Laubbläsern, in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Druckern sowie in E-Bikes und Elektroautos. In der Industrie werden BLDC-Motoren für Motorsteuerungs- und Materialtransportanwendungen eingesetzt. BLDC-Motoren treiben auch unbemannte Bodenfahrzeuge (UGVs), Drohnen und ähnliche unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) sowie chirurgische Roboter und unterstützende Exoskelette an.

Während bürstenbehaftete Gleichstrommotoren auf Metall- oder Kohlekommutatorbürsten angewiesen sind, um den Strom zu den Motorwicklungen zu leiten, sind BLDC-Motoren kontaktlos. Das Fehlen von Reibung und Verschleiß macht sie effizienter, reduziert den Wartungsbedarf und verlängert die Lebensdauer des Motors. Sie sind auch leistungsfähiger, da sie höhere Drehzahlen, höhere Drehmomente und ein besseres Verhältnis von Leistung zu Gewicht aufweisen. Hochentwickelte Steuersysteme ermöglichen es BLDC-Motoren, die Geschwindigkeit oder das Drehmoment fast augenblicklich zu ändern, und sorgen für eine präzise Positionierung und Sicherheit.

Die von hochentwickelten BLDC-Motortreibern gebotene Leistung macht diese Motoren und ihre Steuersysteme für Ingenieure attraktiv, die moderne Roboter- und Drohnenanwendungen entwickeln, die Miniaturisierung, Geschwindigkeit, Präzision, Sicherheit und minimale Wartung erfordern.

Grundlagen des BLDC-Motors

Der Drei-Komponenten-Aufbau von BLDC-Motoren ist täuschend einfach. Ein stationärer Stator enthält zwei bis acht Sätze von Kupferwicklungen, die über einen Umfang verteilt sind, der einen Rotor mit Permanentmagneten umgibt (Abbildung 1). Eine Motorsteuerung ist mit dem Stator verbunden, greift auf die Positionsdaten zu und versorgt die Wicklungen mit Strom.

Abbildung 1: Der Controller eines dreiphasigen BLDC-Motors entscheidet, welche Statorwicklungen (U, V und W) mit Strom versorgt werden und deren Polarität, wodurch sich die Ausrichtung des Magnetfelds ändert. Der Rotor mit Permanentmagneten (in blau) dreht sich, um sich mit dem Magnetfeld des Stators auszurichten. (Bildquelle: Qorvo)

Durch die Erregung eines Wicklungssatzes im Stator wird ein Magnetfeld erzeugt, auf das die Permanentmagnete des Rotors reagieren. Die Anziehungskraft zwischen entgegengesetzten Magnetpolen bringt den Rotor zum Drehen. Bevor sich der Rotor auf das Magnetfeld des Stators ausrichten kann, schaltet der Controller die Wicklungen um, und verändert so die Ausrichtung des Magnetfelds, um den Rotor in Bewegung zu halten.

In der Praxis wechseln die Stromimpulse, die der Controller an den Stator sendet, von ein zu aus und wechseln die Polarität mit einer solchen Frequenz, dass der Strom durch eine Wellenform dargestellt werden kann. Das in Abbildung 1 gezeigte Schaltschema wird durch eine trapezförmige Welle dargestellt. Andere Motoren, wie z. B. Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), die ähnlich wie BLDC-Motoren aufgebaut sind, aber einen variierenden Strom verwenden, um ein Magnetfeld zu drehen, mit dem der Rotor verriegelt wird, nutzen sinusförmige Wellenformen. Die Anpassung von Amplitude und Phase dieser Wellen verändert die Geschwindigkeit des Motors und das verfügbare Drehmoment.

Der Controller erhält außerdem eine ständige Rückmeldung von Positionssensoren wie Hall-Effekt-Sensoren oder optischen Encodern. Bei sensorlosen BLDC-Motoren wird die Messung der elektromotorischen Gegenkraft (BEMF), des Stroms, der in den nicht erregten Wicklungen durch das von den erregten Wicklungen erzeugte Magnetfeld erzeugt wird, zur Bestimmung der Rotorposition verwendet.

Entwicklung von Motortreibern

Angesichts der komplexen Architektur, die für die Überwachung, Stromversorgung und Steuerung von BLDC-Motoren erforderlich ist, überrascht es nicht, dass ältere BLDC-Motorsteuerungen mit Halbleiterelektronik einen eigenen Schaltschrank und dicke Strom- und Datenkabel zu den Motoren in industriellen Umgebungen benötigten. Immer ausgefeiltere integrierte Schaltkreise (ICs) haben Motorsteuerungen so weit verschlankt, dass sie auf eine Leiterplatte passen. Trotz der Miniaturisierung werden die Möglichkeiten der heutigen Motorsteuerungen immer weiter ausgebaut.

Ein Beispiel dafür ist der dreiphasige BLDC-Motortreiber ACT72350 von Qorvo (Abbildung 2), der ein konfigurierbares analoges Frontend (AFE), ein Energiemanagement-Modul, das sich an eine Vielzahl von Versorgungskonfigurationen anpassen lässt, und einen anwendungsspezifischen Motortreiber (ASPD) in einem einzigen 9 mm x 9 mm großen, oberflächenmontierbaren QFN-Baustein (Quad Flat No-Lead) kombiniert.

Abbildung 2: Der integrierte dreiphasige BLDC-Motortreiber ACT72350 kombiniert AFE-Schaltkreise mit konfigurierbarem Energiemanagement in einem kompakten oberflächenmontierbaren Gehäuse. (Bildquelle: Qorvo)

Der konfigurierbare AFE des ACT72350 verfügt über drei programmierbare Differenzverstärker, vier programmierbare referenzbezogene Verstärker, zwei 10-Bit-Digital/Analog-Wandler und zehn Komparatoren, die es ihm ermöglichen, als Brücke zwischen Sensoren und Steuerschaltungen zu fungieren. Außerdem empfängt er über eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) PWM-Steuersignale von einer externen Mikrocontrollereinheit (MCU).

Das konfigurierbare Energiemanagementmodul ermöglicht es dem ACT72350, DC-Eingangsspannungen zwischen 25 V und 160 V zu akzeptieren, einschließlich Batterieleistung bis zu einem 20S-Standard (nominell 72 V oder 84 V bei voller Ladung). Sein Hochspannungsschaltnetzteil liefert eine stabile Ausgangsspannung von 12 V oder 15 V. Außerdem versorgt er die Module des ACT72350 und die MCU mit stabilen 5 V und 200 mA.

Die ASPDs des ACT72350 können den Motor mit einer Halbbrücken-, H-Brücken- oder Dreiphasenarchitektur antreiben (Abbildung 3). Drei High-Side-Gatetreiber für 160 V und drei Low-Side-Gatetreiber für 20 V bieten Gatetreiberfähigkeiten mit jeweils 2 A als Quelle oder Senke, um schnelles Schalten für höhere Motordrehzahlen zu ermöglichen.

Abbildung 3: Das Blockdiagramm des ASPD-Moduls des ACT72350 zeigt die High-Side- und Low-Side-Gatetreiber. Der nBRAKE-Pin wird von einem externen Controller aktiviert, um die Rotation des Motors aus Sicherheitsgründen zu stoppen. (Bildquelle: Qorvo)

Der ACT72350 reduziert die Anzahl der elektronischen Komponenten, die zur Steuerung eines BLDC-Motors benötigt werden. Die Einheit kombiniert Module, die analoge Signaleingänge verwalten, Stromeingänge akzeptieren und standardisieren und den Motor antreiben in einem einzigen, kompakten Gehäuse für die Oberflächenmontage. Gleichzeitig bewahrt der ACT72350 die Design-Flexibilität, da jede beliebige MCU die Steuersignale über SPI bereitstellen kann.

Einsatz von Drohnen

Die Vereinfachung der Steuerelektronik für BLDC-Motoren in einem integrierten Gehäuse plus MCU ist der Schlüssel für Anwendungen, bei denen Platz und Gewicht eine wichtige Rolle spielen, wie bei Drohnen und anderen UAVs. Die Entwickler dieser Systeme wählen BLDC-Motoren aus, um jeden Quadratmillimeter Platz und jedes Gramm Gewicht optimal zu nutzen, und die Motortreiber müssen dazu beitragen. Das hohe Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht von BLDC-Motoren bedeutet, dass sie für die Leistung, die sie für die Rotoren oder Propeller der Drohne bereitstellen, relativ leicht sind. Ihre Energieeffizienz von über 85% bedeutet, dass sie mit einer einzigen Batterieladung größere Nutzlasten transportieren oder länger fliegen können.

Ein platzsparender Motortreiber wie der ACT72350 vereint mehrere Funktionen in einem kleinen Gehäuse und bietet gleichzeitig eine hochwertige Motorleistung. Statt eines Schaltschranks und dicker, schwerer Kabel können die Entwickler von Drohnen und UAVs mehrere ACT72350, ein Batteriepaket und die MCU ihrer Wahl einsetzen, die alle auf dem Fahrzeug installiert werden. Die Hochspannungs-Gatetreiber des ACT72350 unterstützen Hochgeschwindigkeitsschaltungen für einen reibungslosen Betrieb, wodurch die MCU auf der Flugsteuerungsplatine für höherwertige Flugbefehle frei wird.

Platz- und Gewichtseffizienz mögen bei UGVs nicht so wichtig sein, aber ihre Konstrukteure entscheiden sich dennoch für BLDC-Motoren wegen ihrer hohen Drehmomente in Antriebsanwendungen und ihrer Fähigkeit, präzise Bewegungen in Lenkanwendungen zu liefern. BLDC-Motoren werden in diesen Anwendungen auch wegen ihres geringen Wartungsbedarfs geschätzt, ein besonders wichtiger Aspekt in Außenbereichen.

Neue Wege für die Robotik

Ein wartungsarmer BLDC-Motor ist auch in der Robotik von Vorteil, wo er in Anwendungen mit hoher Taktzahl eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet. BLDC-Motoren bewegen Gelenke in Industrieroboterarmen, Exoskeletten, Materialgreifern und Manipulatoren, Prothesen und humanoiden Begleitrobotern.

Bei all diesen Anwendungen trägt die leichte und kompakte Bauweise der BLDC-Motoren zu ihrem effizienten Betrieb, ihrer hohen Präzision und ihrem Bewegungsspielraum bei. Das hohe Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht, von dem Drohnen profitieren, ermöglicht es BLDC-Motoren auch, Roboter anzutreiben, ohne zusätzliches Gewicht oder mehr Hardware hinzuzufügen. Mit seiner integrierten AFE, die jeweils bis zu 2 A als Quelle und Senke bereitstellt, kann der ACT72350 Signale von mehreren Rotorpositionssensoren akzeptieren oder BEMF messen und so eine präzise Drehzahlregelung in einer Roboteranwendung sicherstellen.

Auch die Sicherheit steht bei diesen Anwendungen an erster Stelle, da die Geräte oft in der Nähe von Menschen oder hochwertigen Gütern oder Ausrüstung betrieben werden. Mit dem AFE kann das System sofort auf Übertemperatur-, Überspannungs- und Überstrombedingungen reagieren, die eine Gefahr für die Elektronik oder für Menschen in der Nähe darstellen könnten. Der ACT72350 kann auch über den nBRAKE-Pin des ASPD eine Notabschaltung vornehmen. Ein 50µs-Signal von der MCU oder einer redundanten Sicherheits-MCU an den nBRAKE-Pin deaktiviert alle High-Side-Gatetreiber, während Low-Side-Gatetreiber die Bremsung durchführen und PWM-Eingänge ignoriert werden.

Fazit

Entwickler wählen BLDC-Motoren für viele Anwendungen in Bereichen wie Medizin, Konsumgüter, Automobil, Freizeit, Industrie und mehr. Um die Vorteile der Effizienz, des Drehmoments, der hohen Drehzahlen, der Präzision und der geringen Wartungsanforderungen von BLDC-Motoren nutzen zu können, müssen Entwickler auch Motortreiber auswählen, die die komplexe Kombination aus analogen Sensoreingängen, digitalen Befehlen von der MCU, Stromquellen mit unterschiedlichen Spannungen und Strömen und den schnell schaltenden Stromimpulsen, die für die Versorgung der Motorwicklungen erforderlich sind, verarbeiten können. Motorsteuerungen wie der ACT72350 von Qorvo, die diese Fähigkeiten in einem kompakten Gehäuse vereinen, tragen zum Erfolg von BLDC-Motoren in modernen Anwendungen bei.