Steuerung sensorloser BLDC-Motoren über rückwirkende EMK

Der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC) wird immer beliebter, weil, wie der Name schon sagt, die verschleißanfälligen Bürsten herkömmlicher Motoren entfallen und mit einer elektronischen Steuerung ersetzt werden, die die Zuverlässigkeit des Gerätes verbessert. Darüber hinaus kann ein BLDC-Motor bei der gleichen Leistung kleiner und leichter gemacht werden, als ein Motor vom Bürstentyp, so dass er für Anwendungen geeignet ist, bei denen der Platz knapp ist.

Da es keinen mechanischen oder elektrischen Kontakt zwischen dem Stator und dem Rotor des BLDC-Motors gibt, sind alternative Anordnungen erforderlich, um die relativen Positionen der Bauteile zur Motorsteuerung zu erfassen. BLDC-Motoren verwenden eine von zwei Methoden, um dies zu erreichen: entweder den Einsatz von Hall-Sensoren oder die Messung der rückwirkenden EMK.

Frühere Artikel haben sich mit der Steuerung über Hall-Effekt-Sensoren beschäftigt (siehe zum Beispiel den TechZone-Artikel "Verwendung geschlossener Regelkreise in BLDC-Systemen"). Dieser Artikel beschreibt die alternative Methode, die die rückwirkende EMK ausnutzt.

Der Verzicht auf Sensoren

Ein BLDC-Motor eliminiert die Verschleißteile, die den mechanischen Kommutator einer konventionellen Einheit ausmachen (Verbesserung der Zuverlässigkeit). Darüber hinaus bieten BLDC-Motoren ein großes Verhältnis von Drehmoment/Motorgröße, schnelle Dynamik und nahezu lautlosen Betrieb.

BLDC-Motoren werden als synchrone Geräte klassifiziert, da die Magnetfelder des Stators und des Rotors mit der gleichen Frequenz rotieren. Der Stator enthält Stahllamellen, die axial geschlitzt sind, um eine gerade Anzahl von Windungen entlang der inneren Peripherie aufzunehmen. Der Rotor ist aus Permanentmagneten mit zwei bis acht NS-Paaren zusammengesetzt.

Der elektronische Kommutator des BLDC-Motors erregt nacheinander die Stator-Spulen, die ein rotierendes elektrisches Feld erzeugen, dass den Rotor "zieht". Ein effizienter Betrieb wird dadurch sichergestellt, dass die Spulen genau zum richtigen Zeitpunkt mit Energie versorgt werden.

Sensoren funktionieren gut, erhöhen aber die Kosten und die Komplexität (aufgrund der zusätzlichen Verdrahtung) und reduzieren die Zuverlässigkeit (zum Teil durch die Sensor-Steckverbindungen, die anfällig gegen Kontaminierung durch Dreck und Feuchtigkeit sind). Ein sensorlose Regelung adressiert diese Nachteile.

Ausnutzung der rückwirkenden EMK

Die Wicklungen eines Elektromotors wirken wie ein Generator, wenn sie durch magnetische Feldlinien schneiden. Ein Potential wird in den Wicklungen erzeugt, in Volt gemessen und als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet. Laut dem Lenz'schen Gesetz erzeugt diese EMK ein sekundäres Magnetfeld, das der ursprünglichen Änderung des magnetischen Flusses, die die Motordrehung bewirkt, entgegengesetzt ist. In einfacheren Worten ausgedrückt, widersetzt sich die EMK der natürlichen Bewegung des Motors und wird als "rückwirkende" EMK bezeichnet. Für einen gegebenen Motor mit festem magnetischen Fluss und fester Anzahl von Wicklungen, ist die Größe der EMK proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

Hersteller von BLDC-Motoren geben einen Parameter an, die Gegen-EMK-Konstante (Back EMF Constant), die verwendet werden kann, um für eine gegebene Geschwindigkeit die rückwirkende EMK zu ermitteln. Das Potential über einer Wicklung kann durch Subtrahieren der rückwirkenden EMK von der Versorgungsspannung berechnet werden. Die Motoren sind so ausgelegt, dass, wenn sie bei Nenndrehzahl laufen, die Potentialdifferenz zwischen der rückwirkenden EMK und der Versorgungsspannung bewirkt, dass der Motor den Nennstrom zieht und das Nenndrehmoment liefert.

Das Ansteuern des Motors über die Nenndrehzahl hinaus erhöht die rückwirkende EMK erheblich und führt zur Verringerung der Potentialdifferenz über den Wicklungen und damit zur Reduzierung des Stroms und des Drehmoments. Den Motor noch schneller zu treiben, würde dazu führen, dass die rückwirkende EMK (plus Motorverluste) genau gleich der Versorgungsspannung ist - an welchem Punkt der Strom sowie das Drehmoment gleich Null sind.

Da die rückwirkende EMK das Drehmoment des Motors beeinträchtigt, wird sie manchmal als Nachteil gesehen, aber im Fall von BLDC-Motoren haben die Ingenieure das Phänomen zu ihren Gunsten genutzt.

Jede Stufe der Kommutierungs-Sequenz für einen Dreiphasen-BLDC-Motor wird durch positive Erregung einer der Wicklungen, negative Erregung der zweiten Wicklung und Offenlassen der dritten erreicht. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der ersten Sequenz einer sechsstufigen Kommutationssequenz für einen solchen Motor.

Abbildung 1: Sechsstufiger elektrischer Zyklus für einen BLDC-Motor. Windung A wird positiv erregt, B ist offen, C wird negativ erregt (Mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Ein BLDC-Motor mit Hall-Sensoren verwendet die Ausgabe der Vorrichtungen, gesteuert durch eine MCU und durch einen Treiber betrieben, um isolierte Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) für die korrekte sequentielle Erregung der Spulen zu schalten. Die Transistoren werden ausgelöst (und die Spulen erregt), wenn das Hall-Sensor-Ausgangssignal seinen Zustand ändert.¹

In der sensorlosen Variante des BLDC-Motors gibt es keine Hall-Effekt-Sensoren. Stattdessen variiert die rückwirkende EMK in den drei Spulen in einer trapezförmigen Wellenform (lang gestrichelte Linie) während sich der Motor dreht, wie in Abbildung 2 gezeigt. Zum Vergleich zeigt die gleiche Abbildung auch die Ausgangssignale der Hall-Sensoren eines ähnlich konfigurierten Motors.

Abbildung 2: Hall-Sensor-Ausgang verglichen mit rückwirkender EMK für Dreiphasen-BLDC-Motor. Beachten Sie, wie das Umschalten des Hall-Sensor-Ausgangs mit dem entsprechenden Nulldurchgangspunkt der rückwirkenden EMK der jeweiligen Spule in einem sensorlosen Motor zusammenfällt (Mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Eine Kombination aus allen drei Nulldurchgangspunkten der Spulen wird verwendet, um die Spulenerregungssequenz zu bestimmen. Beachten Sie, dass es eine Phasendifferenz von 30 Grad zwischen einer individuellen Hall-Sensorausgangsänderung in einem herkömmlichen BLDC-Motor und dem Nulldurchgangspunkt der rückwirkenden EMK einer individuellen Spule in einer sensorlosen Einheit gibt. Folglich ist in der Firmware einer sensorlosen Motorsteuerschaltung integriert, dass nach der Feststellung des Nulldurchgangs eine 30-Grad-Phasenverschiebung implementiert wird, bevor die nächste Aktion der Erregungssequenz aktiviert wird. In Abbildung 2 stellen die kurz gestrichelten Linien den Strom in den Spulen dar.

Abbildung 3 zeigt eine Steuerschaltung für einen sensorlosen Dreiphasen-BLDC-Motor. In diesem Fall verwendet die Schaltung die 8 Bit MCU PIC18FXX31 von Microchip zur Erzeugung der pulsbreitenmodulierten (PWM) Ausgangssignale, die die IGBTs oder MOSFETs in der Dreiphasen-Wechselrichterbrücke triggern. Die MCU reagiert auf Eingangssignale von einer die rückwirkende EMK überwachende Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung.

Abbildung 3: Steuerkreis für sensorlose Dreiphasen-BLDC-Motoren (Mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Verfahren zur Erfassung der rückwirkenden EMK

Es gibt verschiedene Techniken zum Messen der rückwirkenden EMK. Die einfachste ist, die rückwirkende EMK über einen Komparator mit der Hälfte der DC-Busspannung zu vergleichen. Abbildung 4a zeigt schematisch ein solches System. In diesem Fall ist der Komparator mit Spule B verbunden; in einem kompletten System wäre jede Spule mit einem Komparator verbunden. In der Abbildung wird die Spule A positiv erregt, Spule C negativ und Spule B ist offen. Die rückwirkende EMK steigt und fällt entsprechend der für diese Phase implementierten Erregungsfolge.

Der Hauptnachteil dieses einfachen Komparator-Verfahrens ist, dass die drei Wicklungen möglicherweise nicht identische Eigenschaften haben, was zu einer positiven oder negativen Phasenverschiebung vom tatsächlichen Nulldurchgangspunkt führt. Der Motor wird wahrscheinlich noch laufen, kann aber eine hohe Stromaufnahme zeigen.

Die Lösung besteht darin, einen virtuellen Nullpunkt durch Verwendung von drei Widerstandsnetzwerke, die parallel mit den Motorwicklungen verbunden sind, zu erzeugen, wie in Abbildung 4b gezeigt. Die rückwirkende EMK wird dann mit dem virtuellen neutralen Punkt verglichen.

Eine dritte Methode ist die Verwendung von Analog/Digital-Wandlern (ADC) (Abbildung 4c). Viele der zur BLDC-Motorsteuerung verfügbaren MCUs beinhalten High-Speed-ADCs, die für diesen Zweck geeignet sind. Mit diesem Verfahren wird die rückwirkende EMK gedämpft, so dass sie direkt in die MCU eingespeist werden kann. Das Signal wird dann vom ADC abgetastet und mit einem dem Nullpunkt entsprechenden digitalen Wert verglichen. Wenn die beiden Werte übereinstimmen, wird der nächste Schritt der Spulenerregungssequenz aktiviert. Dieses Verfahren bietet einige Vorteile, wie die Verwendung digitaler Filter, um Hochfrequenz-Schaltkomponenten aus dem rückwirkenden EMK-Signal zu entfernen.²

Abbildung 4a: Einfache Komparatorschaltung zur Messung der rückwirkenden EMK (Mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Abbildung 4b: Die einfache Komparatorschaltung kann durch die Implementierung eines virtuellen Nullpunkts verbessert werden (Mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Abbildung 4c: Das Signal wird von einem ADC abgetastet und dann mit einem digitalen Wert, der dem Nullpunkt entspricht, verglichen (mit freundlicher Genehmigung von Microchip).

Es gibt einen großen Nachteil der sensorlosen BLDC-Motorsteuerung; wenn der Motor steht, wird keine rückwirkende EMK erzeugt und damit gibt es auch keine Informationen über die Stator- und Rotorposition für die MCU.

Die Lösung besteht darin, den Motor durch das Erregen der Spulen in einer vorbestimmten Sequenz in einer Konfiguration mit offener Schleife zu starten. Während der Motor wahrscheinlich nicht effizient arbeitet, wird er dennoch beginnen sich zu drehen. Schließlich wird die Geschwindigkeit ausreichen, um genug rückwirkende EMK für das Steuersystem zu erzeugen, um in den normalen (und effizienteren) Betrieb mit geschlossener Schleife zu wechseln.

Da die rückwirkende EMK proportional zur Drehzahl ist, sind sensorlose BLDC-Motoren keine gute Option in Anwendungen, die sehr niedrigen Drehzahlen erfordern. Hier sind BLDC-Motoren mit Hall-Effekt-Sensoren eine bessere Wahl.

Sensorlose BLDC-Motorsteuerungen

Die zunehmende Beliebtheit von sensorlosen BLDC-Motoren ist der Katalysator für die Halbleiterhersteller, Chips speziell für die Aufgabe der Kontrolle und des Betriebs solcher Einheiten zu entwickeln. Das Steuersystem für den Motor umfasst typischerweise eine MCU zusammen mit einem IGBT- oder MOSFET-Treiber.

Es stehen viele MCUs für die sensorlose BLDC-Motorsteuerung zur Verfügung, angefangen von einfachen kostengünstigen 8 Bit Einheiten zu 16 und 32 Bit Einheiten mit höherer Leistung, die alle über die Mindestperipheriekomponenten verfügen, die für den Betrieb des Motors erforderlich sind. Diese Peripheriegeräte beinhalten Dreiphasen-PWMs, ADCs und Komparatoren für den Überstromschutz.³

Zilog bietet seine Z16FMC-Familie von 16 Bit MCUs für die sensorlose BLDC-Motorsteuerung an. Die Firma sagt, dass die Aufgabe eine MCU mit schnellen Interrupt-Reaktionszeiten für PWM-Updates in Echtzeit erfordert. Der Z16FMC bietet ein automatisiertes Zusammenspiel zwischen dem ADC und dem Timer und zwischen dem Komparator und den PWM-Ausgängen. Abbildung 5 zeigt ein Blockdiagramm der Motorsteuerungs-MCU von Zilog.

Abbildung 5: Blockschaltbild für die Motorsteuerungs-MCU Z16FMC von Zilog.

Der PIC18F2431 von Microchip ist ebenfalls eine beliebte MCU zur sensorlosen BLDC-Motorsteuerung. Der Chip verwendet einen 8 Bit Prozessor und kann mit Geschwindigkeiten von bis zu 16 MIPS arbeiten. Varianten in der PIC18F-Familie verfügen über eine Dreiphasen-PWM-Motorsteuerungsperipherie mit bis zu acht Ausgängen und einen 10 oder 12 Bit ADC.

Texas Instruments (TI) bietet ein Motorsteuerungs-Evaluierungskit für dreiphasige BLDC-Einheiten. Nach Angaben des Unternehmens, ist das DRV8312-C2-KIT (Abbildung 6) - basierend auf dem PWM-Motortreiber DRV8312 - eine sensorlose feldorientierte Regelung (FOC) und sensorbehaftete/sensorlose Trapezkommutierungs-Plattform, die die Entwicklung für eine schnellere Markteinführungszeit beschleunigt. Zu den Anwendungen gehören bürstenlose Sub-50-V und 7 A Motoren für den Antrieb medizinischer Pumpen, Tore, Aufzüge und kleiner Pumpen, sowie Industrie- und Verbraucher-Robotik und Automation.

Abbildung 6: Das Evaluierungskit von TI für Dreiphasen-BLDC-Motoren basiert auf dem PWM-Motortreiber DRV8312.

Eine Vielzahl von Anwendungen

Sensorlose BLDC-Motoren sind einfacher und möglicherweise zuverlässiger als Einheiten, die Hall-Effekt-Sensoren verwenden, vor allem, wenn die Anwendung in einer schmutzigen und feuchten Umgebung liegt. Die Motoren basieren auf der Messung der rückwirkenden EMK, um die relativen Positionen des Stators und des Rotors zu bestimmen, so dass die richtige Spulenerregungssequenz implementiert werden kann.

Ein Nachteil ist, dass keine rückwirkende EMK generiert wird, wenn der Motor steht, daher muss der Start durch den Betrieb im offenen Regelkreis geschehen. Folglich benötigt der Motor eine kurze Zeit, um sich einzufahren und effizient zu laufen. Ein zweiter Nachteil ist, dass bei niedrigen Drehzahlen die rückwirkende EMK klein und schwierig zu messen ist, was zu einem ineffizienten Betrieb führen kann. Die Verwendung von mit Sensoren ausgestatteten BLDC-Motoren sollte bei diesen Anwendungen in Betracht gezogen werden.

Doch für eine Vielzahl anderer Anwendungen können Ingenieure die Vorteile der kompakten und leistungsstarken sensorlosen BLDC-Motoren in Anspruch nehmen. MCUs und IGBT- oder MOSFET-Treiberchips, die speziell für die Aufgabe konzipiert wurden, können den Design-Prozess erleichtern. Die Entwicklungsarbeit kann durch die Nutzung von Evaluierungskits großer Anbieter, die Referenzschaltungen für bewährte sensorlose BLDC-Motorlösungen enthalten, gestrafft werden.

Referenzen:

1. “Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology, Anwendungshinweis AN885, 2003.
2. “Using the PIC18F2431 for Sensorless BLDC Motor Control,” Padmaraja Yedamale, Microchip Technology, Anwendungshinweis AN970, 2005.
3. “The Need for Autonomous Peripheral Interoperation in Sensorless BLDC Applications,” Dave Coulson, Zilog, Whitepaper WP002003-0111, 2011.