Ein besserer Weg zur Kommutierung von BLDC-Motoren

Bei bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotoren bzw. BLDC-Motoren handelt es sich um elektrisch kommutierte Motoren, die über eine externe Motorsteuerung von einer DC-Stromquelle angetrieben werden. Im Gegensatz zu ihren bürstenbehafteten Verwandten sind BLDC-Motoren auf eine externe Steuerung angewiesen, um eine Kommutierung zu erreichen, d. h. den Prozess des Umschaltens des Stroms in den Motorphasen zur Erzeugung der Bewegung. Bürstenmotoren haben physische Bürsten, um diesen Prozess zweimal pro Umdrehung durchzuführen, während BLDC-Motoren dies nicht tun, und aufgrund der Art ihrer Konstruktion können sie eine beliebige Anzahl von Polpaaren für die Kommutierung haben. In diesem Artikel werden die Grundlagen von BLDC-Motoren erläutert, gängige Methoden zur Kommutierung von BLDC-Motoren betrachtet und eine neue Lösung zur Erfassung von Positionsrückmeldungen vorgestellt.

Grundlagen der Kommutierung von BLDC-Motoren

Die häufigste Konfiguration von BLDC-Motoren ist die dreiphasige Konfiguration. Die Anzahl der Phasen entspricht der Anzahl der Wicklungen auf dem Stator, während die Rotorpole je nach Anwendung eine beliebige Anzahl von Paaren bilden können. Da der Rotor eines BLDC-Motors von den rotierenden Polen des Stators beeinflusst wird, muss die Position der Statorpole verfolgt werden, um die drei Motorphasen effizient anzutreiben. Daher wird ein Motor-Controller verwendet, um ein 6-stufiges Kommutierungsmuster für die drei Motorphasen zu erzeugen. Diese sechs Schritte oder Kommutierungsphasen bewegen ein elektromagnetisches Feld, das die Dauermagneten des Rotors dazu bringt, die Motorwelle zu bewegen (Abbildung 1).

Abbildung 1: 6-Schritt-Muster für die BLDC-Motor-Kommutierung. (Bildquelle: Same Sky)

Damit die Steuerung den Motor effektiv kommutieren kann, muss sie immer genaue Informationen über die Position des Rotors haben. Hall-Effekt-Sensoren sind seit den Anfängen des bürstenlosen Motors die bevorzugte Wahl für die Kommutierungsrückmeldung. In einem typischen Szenario werden drei Sensoren für eine 3-Phasen-Steuerung benötigt. Die Hall-Effekt-Sensoren sind in den Stator des Motors eingebettet, um die Rotorposition zu erfassen, die zum Schalten der Transistoren in der 3-Phasen-Brücke zum Antrieb des Motors verwendet wird. Die drei Sensorausgänge werden üblicherweise als U-, V- und W-Kanäle bezeichnet. Leider hat diese Methode der Positionsrückmeldung auch einige Nachteile. Während die Stücklistenkosten der Hall-Effekt-Sensoren niedrig sind, können die Kosten für die Integration dieser Sensoren in den BLDC-Motor die Gesamtkosten des Motors verdoppeln. Darüber hinaus erhält der Controller von den Hall-Effekt-Sensoren nur ein unvollständiges Bild der Motorposition, was in Systemen, in denen eine präzise Positionsrückmeldung für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich ist, zu Problemen führen kann.

Drehgeber liefern höhere Präzision

In der heutigen Welt benötigen Systeme, die BLDC-Motoren verwenden, eine weitaus höhere Präzision bei der Positionsmessung als je zuvor. Um dies zu erreichen, können zusätzlich zu den Hall-Effekt-Sensoren auch Inkrementalgeber an den BLDC-Motor gekoppelt werden. Dies stellt ein System dar, das eine verbesserte Positionsrückmeldung bietet, aber nun erfordert, dass der Motorhersteller beide Hallsensoren in den Motor einbaut, zusammen mit einem Inkrementalgeber nach der Montage. Eine bessere Option ist es, die Hall-Effekt-Sensoren ganz wegzulassen und den Inkrementalgeber durch einen Kommutierungsgeber zu ersetzen. Diese Kommutierungsgeber, wie die Serien AMT31 oder AMT33 von Same Sky, verfügen über inkrementale Ausgänge für eine präzise Positionsverfolgung sowie über Kommutierungsausgänge, die der spezifischen Polkonfiguration des Motors entsprechen. Da die Kommutierungsgeber von Same Sky digital sind, können diese Parameter, einschließlich Polzahl, Auflösung und Richtung, programmiert werden. Dies bietet dem Ingenieur Flexibilität bei der Erstellung von Prototypen und beim Testen sowie eine geringere Anzahl von Encoder-SKUs bei mehreren Designs.

Ausrichten eines Kommutierungsmotors

Wenn Strom an einen Motor angelegt wird, dreht er sich, und umgekehrt, wenn man einen Motor dreht, erzeugt er Strom. Wenn Sie einen BLDC-Motor drehen würden, würden Sie die Ausgänge auf den 3 Phasen ähnlich wie in Abbildung 2 unten sehen. Um einen Kommutierungsgeber oder sogar Hall-Effekt-Sensoren richtig auf einen BLDC-Motor abzustimmen, sollte die resultierende Kommutierungswellenform auf die rückwirkende EMK abgestimmt werden. Traditionell führt dies zu einem iterativen Prozess, der einen zweiten Motor zum Antrieb des ersten und ein Oszilloskop zur Beobachtung der Wellenformen erfordert. Dies kann zeitaufwendig sein und erhebliche Kosten während des Herstellungsprozesses verursachen.

Abbildung 2: Kommutierungsausgänge und Motorphasen (Bildquelle: Same Sky)

Mit einem kapazitiven AMT-Drehgeber erfolgt der Ausrichtungsvorgang nahezu sofort und erfordert lediglich eine Stromversorgung. Sobald der Geber montiert ist, muss der Benutzer nur noch die beiden Phasen mit Strom versorgen, die der gewünschten Startposition des AMT-Gebers entsprechen, und den Ausrichtungsbefehl senden. Damit hat der Benutzer im Wesentlichen die Startposition für die Kommutierungswellenform des Encoders und die rückwirkende EMK-Wellenform des Motors festgelegt.

Zusätzlich zur einfachen Ausrichtung sind die Kommutierungssignale des AMT-Gebers viel genauer auf die Motorpole ausgerichtet. Das Ausrichten eines Kommutierungsgebers auf einen Motor legt lediglich die Startposition fest (d. h. wo die Kommutierungswellenform beginnt). Wenn dies richtig gemacht wird, sollte die Kommutierungswellenform perfekt mit der Wellenform der rückwirkenden EMK des Motors übereinstimmen. Dies ist jedoch nicht immer möglich. Eine typische Ausrichtung mit Hall-Sensoren oder einem optischen Encoder liegt in der Größenordnung von ±1 elektrischen Grad. AMT-Drehgeber hingegen können eine viel höhere Präzision erreichen, typischerweise innerhalb von ±0,1 elektrischen Grad. Die Wellenform des AMT-Drehgebers beginnt, wenn U und W beide auf High-Pegel liegen (dritter Zustand in der obigen Wellenform); fragen Sie Ihren Motorhersteller nach dem entsprechenden Diagramm für die rückwirkende EMK, um zu bestimmen, welche Phasen während der Ausrichtung erregt werden sollen.

Richtungseinstellungen für AMT-Kommutierungsdrehgeber

Neben der programmierbaren Polzahl und Auflösung bietet die AMT-Serie eine Richtungseinstellung für Kommutierungsanwendungen - eine einzigartige Option, die von den meisten anderen Herstellern von Kommutierungsgebern nicht angeboten wird. Einfach ausgedrückt, gibt sie die Richtung an, in welche sich die Welle des Drehgebers drehen muss, damit die Kommutierungssignale weiterlaufen. Üblicherweise werden Kommutierungsgeber auf der hinteren Welle des Motors angebracht. In diesem Szenario durchlaufen die Kommutierungssignale ihre Zustände, wenn sich der Motor gegen den Uhrzeigersinn dreht (von der Rückseite des Motors aus gesehen). Wenn Sie den Drehgeber jedoch auf der vorderen Welle anbringen, haben Sie den Geber im Grunde genommen auf den Kopf gestellt, und wenn Sie nun den Motor gegen den Uhrzeigersinn drehen (von hinten gesehen), wird die Welle des Gebers im Uhrzeigersinn gedreht (von oben auf den Geber gesehen). Das bedeutet, dass sich die Pole des Motors in die entgegengesetzte Richtung drehen wie die Pole des Encoders, wie in Abbildung 3 unten dargestellt. Bei anderen Technologien, die nicht über diese programmierbare Option verfügen, müssen die Geberscheibe oder die U-, V- und W-Kanäle ausgetauscht werden, um die gleiche Aufgabe zu erfüllen. Für Anwendungen, bei denen mehrere BLDC-Motoren mit unterschiedlichen Richtungsanforderungen eingesetzt werden, kann diese programmierbare Funktion besonders nützlich sein.

Abbildung 3: Kommutierungswellenform, die der rückwirkenden EMK entgegengesetzt ist (Bildquelle: Same Sky)

Fazit

BLDC-Motoren werden immer häufiger eingesetzt und können sich in vielen Anwendungen auszeichnen, wenn sie über einen strengen Regelkreis und eine hochgenaue Positionserfassung verfügen. Hall-Effekt-Sensoren sind aufgrund ihrer niedrigen Stücklistenkosten seit vielen Jahren die bevorzugte Lösung, aber sie liefern oft kein vollständiges Bild der Motorposition, es sei denn, sie werden mit einem Inkrementalgeber kombiniert. Die AMT-Kommutierungsgeber von Same Sky bieten jedoch eine Komplettlösung, die Hall-Effekt-Sensoren und Inkrementalgeber völlig überflüssig macht. Die Kommutierungsgeber AMT31 oder AMT33 von Same Sky sind aufgrund ihrer flexiblen Programmierbarkeit und einfachen Installation die vielseitigsten Optionen auf dem Markt. Ein grundlegendes Verständnis der Prinzipien von Kommutierungsgebern, wie sie in diesem Artikel beschrieben werden, kann sie zu einer überzeugenden Option für ein bevorstehendes BLDC-Motorprojekt machen.