Treiber-ICs, Algorithmen, Sensoren, Entwicklungsboards Optionen für das Ansteuern von BLDC-Motoren

Welche verschiedenen Technologien zur Ansteuerung von bürstenlosen DC-Motoren gibt es? Wie sehen die unterschiedlichen Sensorsysteme und die gängigen Algorithmen aus? Worin unterscheiden sich die Motortreiber-ICs führender Anbieter und die jeweiligen Entwicklungs- und Protoyping-Ressourcen? Hier gibt’s die Antworten.

Bürstenlose DC-Motoren („Brushless DC“, BLDC) erfreuen sich in den letzten zehn Jahren immer größerer Beliebtheit. Sie sind wahrscheinlich sogar noch weiter verbreitet als WLAN und finden sich in großer Zahl in Gegenständen des täglichen Lebens; ob zuhause, im Büro oder im Auto. Allied Market Research schätzt, dass der Weltmarkt für bürstenlose DC-Motoren bis 2030 ein Volumen von 72,2 Milliarden Dollar erreichen wird, gegenüber 33,2 Milliarden Dollar im Jahr 2020 (Bild 2). In der Marktstudie „Brushless DC Motors Market Research, 2030“ wird eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 10,3 Prozent für alle Motorleistungen vorhergesagt, wobei die Leistungskategorie von 750 W bis 3.000 W den größten Zuwachs erfährt.

BLDC-Motoren eignen sich für die unterschiedlichsten Applikationen, von batteriebetriebenen Elektrowerkzeugen, Staubsaugern, funkgesteuerten Drohnen bis hin zu Elektrofahrzeugen. In der Industrie werden sie millionenfach eingesetzt, von Förderbändern bis hin zu Produktionsrobotern. BLDC-Motoren sind wegen ihrer Wartungsfreundlichkeit sehr beliebt. Sie bieten eine hohe Energieeffizienz, in der Regel bis zu 92 Prozent. Das sind mindestens 10 bis 15 Prozent mehr als bei einem Bürstenmotor derselben Größe.

Aufgrund der fehlenden Reibung durch etwaige Bürsten können BLDC-Motoren außerdem mit höheren Geschwindigkeiten betrieben werden. Durch den Wegfall der Bürsten sind sie kompakter, haben ein geringes Geräuschverhalten und ein deutlich reduziertes EMI-Profil. Dank dieser Eigenschaften eignen sie sich ideal für den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen, bei denen es auf ein hohes Drehmoment und hohe Drehzahlen ankommt.

Die Vorteile eines BLDC-Motors müssen jedoch gegen ihre höheren Kosten und die komplexen Anforderungen an ihre Ansteuerung abgewogen werden. Bild 1 vergleicht verschiedene gängige Motorkonfigurationen und stellt deren Vor- und Nachteile heraus. BLDCs ähneln den Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM), auch wenn sie sich in ihrer Funktionsweise und dem inneren Aufbau der Statorwicklungen leicht unterscheiden.

Funktionsweise bürstenloser DC-Motoren

Bevor wir uns mit der Funktionsweise eines BLDC- oder PMSM-Motors befassen, klären wir kurz einige wichtige Motorbegriffe:

• Wicklungen: Spulen aus Kupferdraht, die entweder auf dem Stator oder dem Rotor angebracht sind, werden als Wicklungen bezeichnet. Sie fungieren als Elektromagneten und erzeugen ein Magnetfeld, das sich nach der Richtung des Stromflusses richtet. Die drei Wicklungen des BLDC-Motors in Bild 1 können in Reihe geschaltet werden, um einen einphasigen Motor zu erzeugen, oder einzeln verdrahtet werden, um einen dreiphasigen BLDC-Motor zu erhalten.

• Rotor: Der rotierende Teil des Motors wird als Rotor bezeichnet. Bei einem Bürstenmotor erhalten die Wicklungen des Rotors ihre Energie über die Bürsten. Bei einem bürstenlosen Motor befinden sich die Wicklungen auf dem Stator, und der Rotor ist von Permanentmagneten umgeben. Zwischen Rotor und Stator befindet sich ein kleiner Luftspalt.

• Stator: Der nicht rotierende Teil des Motorgehäuses wird als Stator bezeichnet. In Bild 1 sind die Magnetpole des Stators bei einem Bürstenmotor dargestellt. Bei einem BLDC-Motor enthält der Stator dagegen die (nicht rotierenden) Wicklungen.

• Kommutierung: Der Wechsel der Stromflussrichtung in einer Wicklung, um eine Rotation zu erreichen.

• Gegen-EMK: Die gegenläufige elektromotorische Kraft ist die elektrische Energie, die in einer Wicklung entsteht, wenn sie ein Magnetfeld durchläuft. Bei einem BLDC kommt die Gegen-EMK von den Permanentmagneten des Rotors. Mithilfe der Gegen-EMK kann die Position des Rotors relativ zu den Statorwicklungen erfasst und somit die Kommutierung gesteuert werden.

Der Unterschied zwischen einem PMSM-Motor und einem BLDC-Motor besteht in erster Linie in der Form der Statorwicklungen und folglich in den Eigenschaften der erzeugten Gegen-EMK-Wellenform (Bild 3).

Motorantriebsalgorithmen und Sensoren

Damit ein BLDC- oder PMSM-Motor rotiert, müssen die Antriebssignale an den Statorwicklungen kommutiert werden. Hierfür erzeugen auf Halbleitern basierende Motortreiber Wellenformen, deren Anzahl und Form durch den Motortyp und die Anzahl der Phasen bestimmt wird. In Bild 3 ist dargestellt, dass für einen BLDC-Motor eine trapezförmige Wellenform geeignet ist, während für einen PMSM eine sinusförmige Wellenform mit einem feldorientierten (FOC) Regelungsansatz zum Einsatz kommt. Bei einem dreiphasigen PMSM werden für die Kommutierung drei Sinuswellen verwendet, die um 120 Grad versetzt sind.

Auch ein BLDC-Motor kann mit einer sinusförmigen Wellenform angesteuert werden. Unabhängig davon, ob ein FOC- oder eine trapezförmige Welle verwendet wird, muss für eine effektive Rotorsteuerung genau bekannt sein, wo sich der Rotor im Verhältnis zu den Statorwicklungen befindet. Dies ist eine wichtige Information für die Motorsteuerung welche die Motordrehzahl und das Drehmoment regelt. Die Positionsinformationen entscheiden über die Sequenzierung, das Timing und die Frequenz der Steuersignale.

Für die Bestimmung der Rotorposition gibt es zwei Methoden:

• Mit Sensor: Die neben jeder Statorwicklung angebrachten Hall-Effekt-Sensoren (die kleinen blauen Quadrate in Bild 1) erkennen die Änderungen der Magnetfeldpolarität (N nach S, S nach N), wenn sich der Rotor dreht. Für einen Drehstrommotor sind drei Sensoren erforderlich.

• Sensorlos: Die Position des Rotors wird nicht mit Sensoren, sondern anhand der Gegen-EMK bestimmt.

Jede Erfassungsmethode hat ihre Vor- und Nachteile. Die Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren ist mit zusätzlichen Komponentenkosten und mehr Montagezeit verbunden. Allerdings bieten sensorgesteuerte BLDC/PMSM-Motoren ein ausgezeichnetes Drehmoment, eine gleichmäßige Drehbewegung und einen hohen Wirkungsgrad. Die Steuerung eines PMSM-Motors ist in der Regel komplexer, und die Verwendung von FOC erfordert den Einsatz von Sensoren.

Der sensorlose Ansatz ist bei BLDC-Motoren weit verbreitet und ermöglicht preislich attraktive Motoren. Er erfordert jedoch Algorithmen zur Bestimmung der Rotorposition anhand der in den Statorwicklungen induzierten Gegen-EMK. Ein Problem eines sensorlosen BLDC-Motors tritt beim Start auf. Ohne Bewegung gibt es keine Gegen-EMK, sodass die Berechnung der Rotorposition auf andere Weise erfolgen muss. Normalerweise werden Hochfrequenzsignale in jede Phasenwicklung eingespeist, und ein Algorithmus berechnet die Position entsprechend.

Bild 4 zeigt eine einfache dreiphasige BLDC-Motorkonfiguration mit den Hall-Effekt-Sensoren HSW, HSV und HSU. Bei den Sensoren handelt es sich im Wesentlichen um digitale Schalter, die die Polarität des erkannten Magnetfelds anzeigen, wobei Nord gleich „1“ ist und Süd „0“ entspricht. Das Ausgangssignal der drei Sensoren wird zu einem digitalen 3-Bit-Logik-„Opcode“ kombiniert, der die Position des Rotors und die Richtung, in der sie sich ändert, angibt. Diese Informationen bilden die Grundlage für die Steuersignale an die dreiphasige Leistungstransistor-Wechselrichterstufe.

Bei BLDC-Applikationen mit relativ geringem Stromverbrauch sind die Sensorschnittstelle, der Motorcontroller und die Treibertransistoren in der Regel in einem einzigen Controller-IC integriert. Motoren mit hoher Leistung nutzen in der Regel den Gate-Treiber-Ausgang des Controller-ICs und verwenden eine separate Treiberstufe mit Leistungs-MOSFETs mit Kühlkörpern, um den gewünschten Antriebsstrom zu erreichen.

Die Motordrehzahl wird durch Pulsweitenmodulation (PWM) verändert, bei welcher das Tastverhältnis, also das Verhältnis von Ein- und Ausschaltimpuls, variiert. Dieses Verfahren bietet auch Vorteile beim Motorstart, um den Anlaufstrom zu begrenzen.

BLDC-Motortreiber-ICs und Entwicklungsressourcen

Bild 5 zeigt das Funktionsblockdiagramm einer sensorlosen dreiphasigen BLDC-Motoransteuerung mit geringem Stromverbrauch. Das Motorsteuerungs-IC DRV10963 von Texas Instruments enthält drei Leistungs-MOSFETs und eignet sich für BDLC-Motoren mit bis zu 5 V / 0,5 A zum Antrieb von Lüftern, die in Laptops und Hochleistungsprozessoren eingesetzt werden. Der Baustein verfügt über einen Kurzschluss- und Überstromschutz, der Strom und Spannung der einzelnen MOSFETs über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) im Multiplexverfahren überwacht. Über einen PWM-Eingang lässt sich die Motordrehzahl steuern, über den FR-Eingang die Motordrehrichtung beim Start ändern, und der FG-Ausgang liefert Informationen zur Motordrehzahl.

Microchip hat ein umfangreiches Sortiment an Single-Chip-BLDC-Motortreibern und Gate-Treiber-ICs im Programm. Ein Beispiel ist der MCP8063. Dabei handelt es sich um einen dreiphasigen, bürstenlosen, sinusförmigen, sensorlosen Motortreiber, der für Lüfter und Pumpen im Automobilbereich entwickelt wurde.

Für zahlreiche High-Speed-Applikationen im Verbraucher-, Industrie- und Automobilbereich, beispielsweise für batteriebetriebene Elektrowerkzeuge, E-Bikes und leichte Hybrid-Elektrofahrzeuge eignet sich der Power Application Controller PAC5532 von Qorvo. Dieser Baustein ist mit Systemen von 48 V bis 120 V Gleichspannung einsetzbar und verfügt über einen 150-MHz-Arm-Cortex-M4F-32-Bit-Kern mit umfassenden und konfigurierbaren Leistungsmanagement- und Antriebsfunktionen (Bild 6).

Eine Ergänzung zum PAC5532 ist das Evaluierungskit PAC5532EVK1 von Qorvo, dessen Hauptbestandteile inklusive des Controllers und der Komponenten des dreiphasigen H-Brückenwechselrichters in Bild 7 dargestellt sind. Auf der Qorvo-Webseite steht zudem ein GUI-basiertes Software-Entwicklungskit zum Download bereit.

Eine weitere Alternative für die Motorsteuerung per IC ist die Hochleistungs-Mikrocontroller-Serie RA6T2 von Renesas. Wie das Funktionsdiagramm dieser Baureihe in Bild 8 zeigt, basiert sie auf einem Arm-Cortex-M33-Mikrocontrollerkern mit 240 MHz Taktfrequenz und enthält einen hardwarebasierten Beschleuniger für die schnellere Ausführung komplexer Motorsteuerungsalgorithmen und sicherer kryptografischer Funktionen.

Zu den umfangreichen Analogfunktionen der Bausteine gehören ein 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC), ein 12-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC), programmierbare Verstärker und Hochgeschwindigkeits-Komparatoren. Mit dem passenden Evaluierungskit MCK-RA6T2 lässt sich ein Prototyp eines bürstenlosen Motortreibers bequem und praktisch entwickeln. Das Kit besteht aus drei Anschlussplatinen (Wechselrichter, Mikrocontroller und Kommunikation) und enthält außerdem einen kleinen bürstenlosen Gleichstrommotor sowie alle erforderlichen Kabel. Bild 9 zeigt die funktionale Architektur des MCK-RA6T2 Entwicklungskits.

Erste Schritte mit der BLDC-Motorsteuerung

Dieser Beitrag hat die Funktionsweise bürstenloser Motoren erläutert, aufgezeigt, warum dieser Motortyp so beliebt ist, und einige Anwendungsbeispiele vorgestellt. Die im letzten Abschnitt vorgestellten Halbleiterlösungen verschiedener Hersteller bieten einen praktischen, gut dokumentierten und zuverlässigen Ansatz für den Einstieg in Ihr erstes BDLC/PMSM-Design. (cg)

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* Mark Patrick ist Director of Technical Content for EMEA bei Mouser Electronics

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