Einstieg in die sensorlose feldorientierte Regelung von BLDC-Motoren mit Infineon

Elektromotoren sind überall, in unseren Häusern, an unseren Arbeitsplätzen und in unseren Fahrzeugen. Nehmen wir als Beispiel ein typisches modernes Automobil, so finden sich im Durchschnitt ca. 35 Motoren über das Fahrzeug verteilt. Sowohl Standard-Gleichstrommotoren als auch bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) werden für Anwendungen von Kraftstoffpumpen bis hin zu Fensterhebern eingesetzt (Abbildung 1).

Abbildung 1. Typische Anwendungen für Gleichstrom- und bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC). (Bildquelle: Infineon)

Mit dem Wachstum von Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen geht der Trend zu einer noch höheren Anzahl von Motoren pro Fahrzeug. Neben dem Automobilbau werden Gleichstrom- und BLDC-Motoren in vielen industriellen Automatisierungs-, Steuerungs- und Robotikanwendungen eingesetzt.

BLDC-Motoren werden aufgrund ihrer Leistungsvorteile gegenüber bürstenbehafteten DC-Motoren in der Regel in anspruchsvolleren Anwendungen eingesetzt. BLDC-Motoren bieten im Vergleich zu DC-Motoren einen höheren Wirkungsgrad, eine längere Lebensdauer und ein besseres Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht. Zu den Nachteilen von BLDCs gehören die höheren Kosten und der Bedarf an zusätzlichen Steuerschaltungen.

Persönlich habe ich vor kurzem meine Akku-Bohrmaschine und meinen Schlagschrauber von der bürstenbehafteten auf die bürstenlose Gleichstrommotor-Technologie umgestellt. Die Verbesserung des Drehmoments und der Akkulaufzeit war hervorragend und die Mehrkosten wert.

BLDC-Motoren

BLDC-Motoren sind eine Variante eines herkömmlichen Standard-Gleichstrommotors. Der grundlegende Unterschied besteht darin, dass beim BLDC-Motor die Kommutierung nicht durch mechanische Bürsten, sondern durch elektronische Mittel erfolgt. Der Rotor eines BLDC-Motors besteht aus Permanentmagneten, und der Stator ist mit einem entsprechenden Polsatz bewickelt. Ein Steuerkreis wird verwendet, um die Wicklungen zu erregen und ein rotierendes Feld zu erzeugen. Bewegung und Drehmoment werden erzeugt, wenn die Rotormagnete versuchen, sich mit dem rotierenden Statorfeld auszurichten.

Sensorlose feldorientierte Regelung (FOC)

Die sensorlose feldorientierte Regelung (FOC) ist eine der Methoden, um die Drehzahl und das Drehmoment eines BLDC-Motors zu regeln. Die feldorientierte Regelung (auch Vektorregelung genannt) ist ein Verfahren zur Erzeugung einer 3-phasigen Sinusmodulation, die dann in Frequenz und Amplitude geregelt werden kann. Mit Hilfe von Berechnungen werden die dreiphasigen Signale in zwei Phasen umgewandelt, die einfacher zu steuern und im Motorregelkreis zu implementieren sind. Bei der sensorlosen Steuerung werden die Positionssensoren eliminiert und stattdessen die elektromotorische Gegenkraft (EMK) zur Bestimmung der Rotorposition gemessen.

Implementierung einer sensorlosen FOC in einem Mikrocontroller

Die Implementierung einer sensorlosen FOC erfordert die Durchführung von Signalmessungen und mathematischen Berechnungen. Ein Mikrocontroller mit der notwendigen Leistung und Peripherie ist gut geeignet, um diese Funktionalität zu implementieren. Der TLE9879QXA40 von Infineon ist ein Einzelchip-SoC für 3-Phasen-Motortreiber, in dem ein Arm®-Cortex®-M3-Kern integriert ist (Abbildung 2).

Abbildung 2. TLE9879x - Anwendungsblockdiagramm. (Bildquelle: Infineon)

Er enthält sechs voll integrierte NFET-Treiber, die für die Ansteuerung eines 3-Phasen-Motors über sechs externe Power-NFETs optimiert sind, eine Ladungspumpe, die den Betrieb mit niedriger Spannung ermöglicht, und einen programmierbaren Strom zusammen mit einer Stromflankensteuerung für optimiertes EMV-Verhalten. Sein Peripheriesatz umfasst einen Stromsensor, einen mit der Erfassungs- und Vergleichseinheit synchronisierten SAR-ADC zur PWM-Steuerung und 16-Bit-Timer. Ein LIN-Transceiver ist ebenfalls integriert, um die Kommunikation mit der Komponente zu ermöglichen, zusammen mit einer Reihe von Allzweck-I/Os. Zur Versorgung externer Lasten ist ein linearer chipintegrierter Spannungsregler vorhanden.

Der TLE9879QXA40 von Infineon ist eine gute Lösung für die Implementierung einer feldorientierten Steuerung von BLDC-Motoren. Er verfügt über die Leistung und den Funktionsumfang, um einen leistungsstarken und kostengünstigen BLDC-Motortreiber auf kleinstem Platinenplatz zu implementieren. Der ausführliche Anwendungshinweis „Sensorless Field Oriented Control with Embedded Power SoC“ beschreibt die FOC-Theorie und wie der Algorithmus implementiert werden kann.

Erste Schritte

Das kostengünstige Evaluierungsboard BLDC_SHIELD_TLE9879 von Infineon bietet einen einfachen Einstieg in die sensorlose FOC. Es basiert auf dem TLE9879QXA40 und ist für den Antrieb von BLDC-Motoren in Kombination mit einem Arduino-kompatiblen Basisboard konzipiert. In Kombination mit einem Arduino Uno und einem kompatiblen BLDC-Motor können Sie den Motor in weniger als einer Stunde zum Laufen bringen (Abbildung 3).

Abbildung 3 BLDC_SHIELD_TLE9879 montiert auf der Arduino-Uno-Grundplatine. (Bildquelle: Infineon)

Schaltplan, Arduino-Bibliothek und vollständige Dokumentation für den BLDC_SHIELD_TLE9879 finden Sie unter https://github.com/Infineon/TLE9879-BLDC-Shield. Während der Recherche für diesen Blog habe ich einige Zeit mit dem Uno und dem Shield gearbeitet, um mich mit der Ansteuerung eines BLDC-Motors vertraut zu machen. Konfigurationsschritte, Testcode und Dokumentverweise sind in meinem Projekt Driving a BLDC Motor with Infineon's TLE9879Qx 3-Phase Motor Driver Shield enthalten, das im TechForum von DigiKey veröffentlicht wurde.

Anwendungsentwicklung

Für diejenigen, die tiefer in das Design und die Entwicklung auf Basis des TLE9879Qx einsteigen möchten, stellt Infineon zusätzliche Ressourcen zur Verfügung. Als Ausgangspunkt steht der Quellcode für die auf das BLDC-Shield geflashte Firmware als Keil-uVision-Projektdateien zur Verfügung. Die Projektdateien sind im Software-Download „BLDC Shield für Arduino mit TLE9879QXA40“ von Infineon unter dem Link BLDC_SHIELD_TLE9879 auf der Shield-Projektseite enthalten. Zusätzlich sind neben dem BLDC-Shield das Pumpen-Referenzdesign REF_WATERPUMP100W und das Lüfter-Referenzdesign REF_ENGCOOLFAN1KW bei DigiKey erhältlich.

Fazit

Das Evaluierungsboard BLDC_SHIELD_TLE9879 von Infineon bietet einen schnellen und kostengünstigen Einstieg in die sensorlose FOC-Ansteuerung von BLDC-Motoren. Das Board ist auch eine gute Ressource für fortgeschrittene Anwender, die das TLE9879QXA40 evaluieren und mit dem mitgelieferten Quellcode beginnen möchten.

Externe Referenzen

1 – Infineon. „Motor Handbook“

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-motorcontrol_handbook-AdditionalTechnicalInformation-v01_00-EN.pdf