Linearmotor für Fahrzeuge

  • Ich baue einen Linearmotor

    Die Bergstraße auf meiner Anlage Heinrichshausen ist so steil, dass viele Fahrzeuge die Steigung nicht schaffen. Deshalb baue ich einen Linearmotor. Ein Linearmotor rotiert nicht wie ein üblicher Motor, sondern er bewegt sich in der Ebene wie der Transrapid.

    Ein Linearmotor besteht aus einem Stator (feststehender Teil) und einem Läufer (beweglicher Teil), der am Wagenboden angebracht ist.

    Der Stator dieses Linearmotors besteht aus Relaisspulen. Die Kontakte der Relais habe ich abgesägt.

    Der Läufer ist eine kleine Blechplatte aus Eisenblech, auf die drei Dauermagnete aufgesetzt sind. Sie haften durch ihr Magnetfeld alleine. Man kann sie aber zusätzlich festkleben.

    Bild 3 zeigt wie Magnetspulen verdrahtet werden. Die erste Spule wird mit der vierten , die zweite mit der fünften und die dritte mit der sechsten in Reihe geschaltet. Am Ende werden alle drei Spulengruppen zusammengeschlossen. Das ist der Sternmittelpunkt. Jetzt kann ein Drehstromgenerator nacheinander die drei Spulengruppen einschalten und es entsteht ein Wanderfeld. Weitere Spulen können angeschlossen werden.

    Brushless DC Motor

    Der Der bürstenlose Gleichstrommotor (Brushless DC Motor, abgekürzt BLDC- oder BL-Motor ist wie eine Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete aufgebaut. Die (oft dreisträngige) Drehstromwicklung wird durch eine geeignete Schaltung so angesteuert, dass sie ein wanderndes magnetisches Feld erzeugt, welches den permanenterregten Rotor mitzieht. Das Regelverhalten ähnelt weitgehend einer Gleichstrom-Nebenschlussmaschine. Ebenfalls gebräuchlich ist die Bezeichnung PMSM, Permanentmagnet-Synchronmotor. Andere Synchronmotoren haben eine Erregerwicklung auf dem Rotor. Der BLDC-Motor hat Dauermagnete. Einsatzbereiche von BLDC-Motoren liegen in Antrieben für Festplattenlaufwerke, PC-Lüfter, Quadrokopter und Modellflugzeuge.

    Der Linearmotor ist auch ein BLDC-Motor, aber er rotiert nicht, sondern läuft in der Ebene. Die Steuerung

    Am einfachsten wird ein solcher Motor durch Blockkommutierung gesteuert. Dafür nimmt man für den BLDC-Motor eine Brückenschaltung mit Transistoren. Für einen dreiphasigen BLDC-Motor besteht diese aus einer Brückenschaltung mit drei Gegentaktstufen.

    Blockkommutierung

    Am einfachsten lässt sich die Rotorlage durch Hallsensoren im Motor bestimmen, die von einem passend ausgerichteten Magneten auf dem Rotor genau dann geschaltet werden, wenn die Wicklung umgeschaltet werden muss. Den drei Wicklungen entsprechen dann drei Hallsensoren, deren Zustand definiert, wie die Wicklungen beschaltet sein müssen. Wenn man die drei Wicklungen digital umschaltet, also entweder keinen oder den vollen Strom auf die Wicklungen gibt, spricht man von Blockkommutierung. Diese Kombination aus Hallsensoren und Blockkommutierung ist die technisch am einfachsten umzusetzende Methode, um einen BLDC-Motor anzusteuern. Die Blockkommutierung ist aber für Anwendungen, in denen die Motoren langsam drehen müssen (unter ca. 10% der Nenndrehzahl) nicht gut geeignet. Der Drehmomentrippel bewirkt im Durchschnitt einen Verlust von ca. 4,5% des Drehmoments und entsprechend auch einen Verlust an Wirkungsgrad gegenüber einer thermisch äquivalenten optimalen Bestromung der Wicklungen.

    Sinuskommutierung

    Die optimale Form der Bestromung ist die Sinuskommutierung, bei der jede Wicklung des Motors mit einer um 120° versetzten Sinuskurve bestromt wird, so dass sich ein kontinuierlich drehendes Statormagnetfeld konstanter Stärke ergibt. Die Sinuskommutierung erfordert daher idealerweise ein höher auflösendes System zur Bestimmung der Rotorlage, normalerweise einen optischen oder magnetischen Encoder, der die Position des Rotors zu jedem Zeitpunkt hinreichend genau bestimmt und die Ströme entsprechend anpasst. Diesen Aufwand wollen wir hier aber nicht treiben.

    Sensorlose Regelung

    Die sensorlose Regelung ist eine Bezeichnung für Methoden zur Rotorlagenbestimmung, die ohne Sensoren (Hallsensoren, Encoder) auskommen. Es gibt zwei Klassen: Einfache sensorlose Ansteuerungen basieren auf der direkten Messung der Gegen-EMK in der jeweils nicht bestromten Wicklung. Diese Methode erfordert im Vergleich zu einer Standardansteuerung eine spezielle Hardware und funktioniert unter ca. 20% der Nenndrehzahl des Motors nicht mehr stabil, da das Mess-Signal zu klein ist. Zudem funktioniert dieses Verfahren nur in Verbindung mit Blockkommutierung. Anspruchsvollere Lösungen basieren auf einer sogenannten „Beobachterregelung“, die nicht direkt messbare Größen, wie Geschwindigkeit oder Gegen-EMK, aus anderen vom Stromregler gemessenen Größen rekonstruiert. Der Kern eines solchen Systems ist ein möglichst exaktes Modell des Motors, das parallel zum realen Motor aus den bekannten Eingangsgrößen, wie der gestellten PWM, parallel die Werte berechnet, die auch gemessen werden, wie die Stromhöhe in der Wicklung. Die berechneten Werte werden mit den real gemessenen Werten in jedem Zyklus verglichen. Durch den so ermittelten Beobachterfehler werden die internen Größen des Motormodells permanent nachgeregelt, auf diese Weise erhält man auch für die eigentlich nicht gemessenen Größen – wie die Geschwindigkeit – eine korrekte Schätzung. Obwohl diese Methode nur funktioniert, weil sich die Reaktion der Wicklung durch die induzierte Spannung geschwindigkeitsabhängig ändert, sind die direkt gemessenen Größen auch bei kleineren Geschwindigkeiten noch gut messbar. So erhält man einen „virtuellen Drehgeber“, der ab einer gewissen Minimalgeschwindigkeit die Positions- und Drehzahlinformation mit der gleichen Präzision wie ein realer optischer oder magnetischer Drehgeber liefert. Da bei diesem Verfahren die Gegen-EMK nicht direkt gemessen werden muss, kann sie auch mit Sinuskommutierung bzw. der feldorientierten Regelung kombiniert werden. Beiden sensorlosen Methoden ist gemeinsam, dass im Stillstand keine Information zur Rotorlage verfügbar ist, es wird also eine spezielle Anlaufmethode benötigt. Ähnlich wie bei einem Schrittmotor wird der Motor dazu im gesteuerten Betrieb einige Kommutierungszyklen betrieben, bis er die notwendige Geschwindigkeit erreicht und die sensorlose Messung eine Rotorposition ermitteln kann.

    Einfache sensorlose Ansteuerung

    Ich habe mich für die einfache sensorlose Ansteuerung des Linearmotors entschieden. Der Linearmotor wird nur mit Kommutierungszyklen betrieben.

    Test verschiedener Motorcontroller

    Zunächst teste ich einen BLDC Controller ZS-X11B. Er läuft angeblich allerdings nur mit Hall-Sensoren. Ich habe ihn mit einem MBLDC-Motor aus einem Diskettenlaufwerk getestet. Er ruckelt ein paarmal und bleibt dann stehen.

    Motherboard specifications: Product Name: 350W Brushless Hall DC Motor Driver Model: ZS-X11B1 Working voltage: 5-36V Maximum current: 16A Maximum power: 350W

    also wird ein anderer Controller eingesetzt.

    Der MPC 8024 von Microchip

    Der nächste BLDC Controller, den ich getestet habe, ist der MCP 8024 . Ich bekomme den Diskettenmotor nur sehr mühsam zum Laufen (Rotieren), wenn ich ihn anschubse. Den Linearmotor steuert er überhaupt nicht, weil er zu kleine Ströme liefert. Somit ist dieser Controller leider auch nicht für meinen Linearmotor geeignet.

    MCP 8083 von Microchip

    Dann habe ich den nächsten Controller für den Linearmotor getestet. Es ist ein 12 Volt BLD DC Driver Motherboard mit einem MCP 8083 Daughter Board ADM 00535, also ein Mikrocontroller mit aufgesetztem Motortreiber. Ich schließe den Diskettenmotor und die Spannungsversorgung 5 Volt an und auch die Motorspannung 12 Volt. Es tut sich nichts, außer daß auf der Controllerplatine eine winzige Leuchtdiode leuchtet. Den Controller habe ich vor Jahren gekauft und finde gerade die Beschreibung nicht. Als gehe ich ins Internet und suche MCP 8083 Daughter Board ADM 00535.

    Zum Betrieb muß man eine Software von der entsprechenden Internetseite von Microchip laden.

    Man kann die Versorgungsspannung und die Drehzahl einstellen. Ein Diskettenmotor läßt sich damit einwandfrei steuern. Allerdings ist die minimale Drehzahl für meinen Linearmotor zu hoch. Unpraktisch ist auch, daß man einen PC braucht, um den Controller zu betreiben.

    MTD 6505 von Microchip

    Der dritte Controller MTD 6505 von Microchip ist ein sensorloser Controller . Für maximales Drehmoment muß bei einem BLDC Motor und auch bei einem entsprechenden Linearmotor der Winkel zwischen Stator und Motor bei 90 Grad liegen. Das geht auch mit der Back EMF, also mit der Abschaltspannung der Motorspulen. Dazu verwendet der Controller die Bach EMZ zero-crossing detection, was Abschalt-spannungsüberwachung bedeutet. Der Analog-Digital Converter und AVR tasten die Motorphasen ab und die CPU erzeugt damit die Rotorposition des Motors oder in meinem Fall die Position der Magnetspulen des Linearmotors. Diese Steuerung produziert nicht rechteckige Spannungen für die Blockkommutierung ,das heißt für die Umschaltung der Motorsspulen in den 6 zeitlichen Phasen, sondern erzeugt trapezförmige Spannungen. Diese sind günstiger, weil die Ströme nicht so steil ansteigen. Das mag eine Spule nicht. Ich habe allerdings mit diesem Controller den Linearmotor nicht zum Laufen gekriegt. Alle getesteten Controller sind für hohe Drehzahlen ausgelegt und sind für meinen Linearmotor nicht geeignet, um Autos im Maßstab 1:87 fahren zu lassen. Jetzt muß ich eben selbst eine Steuerung bauen.

    Trinamic TMC11640

    Der Trinamic-Controller wird mit 12 bis 28 Volt betrieben und kann bis zu 7 Ampere liefern. Ich habe ihn mit der zugehörigen Software getestet. Er steuert aber einen Motor nur über Hall-Sensoren oder Encoder. Ich will aber entlang der Straße keine unzähligen Hall-Sensoren montieren. Also ist dieser Controller für meinen Linearmotor ebenfalls uninteressant. Jetzt wird es eng mit käuflichen Motorsteuerungen.

    Sensoren oder Encoder. Ich will aber entlang der Straße keine unzähligen Hall-Sensoren montieren. Also ist dieser Controller für meinen Linearmotor ebenfalls uninteressant. Jetzt wird es eng mit käuflichen Motorsteuerungen. Ich muß mir eine Steuerung selbst bauen.

    Eigenbau-Controller

    Ich muß mir eine Steuerung selbst bauen. Die Schaltung zeigt Bild 7.

    Der Zähler wird von einem Taktgenerator gesteuert und produziert die 6 Phasen, die bei der Blockkommutierung eines BLDC-Motors üblich sind. eine Brückenschaltung für die 6 Zustände liefert die Ströme an die drei Magnetspulengruppen des Linearmotors. Dann sind da noch ein paar ODER-Gatter, die dafür sorgen, daß die richtigen MOSFETS in der jeweiligen Phase geschaltet werden.

    Für die Schaltungsentwicklung nimmt man das Schaubild Bild 8 mit den 6 zeitlichen Phasen und schaltet die entsprechenden Transistoren. Hier sieht man, welche Motorspulen welche Spannung haben (Plus, Minus oder Null)

    In der ersten Phase beispielsweise soll T4 und T12 leiten, damit der Strom von der Motorspule V zur Spule U fließt. In der zweiten Phase ist V auch noch an Spannung, aber U wird Null. der Zähler muß nun so langsam laufen, daß die gewöhnliche Fahrgeschwindigkeit der Autos erreicht wird. Das geht bei diesen niedrigen Geschwindigkeiten leider nicht ruckfrei. Ohne Back EMF (Gegen_EMK oder Abschaltspannung der Motorspulen) läuft der Linearmotor allerdings nur bei der bestimmten Geschwindigkeit, die das Fahrzeug beim Überfahren der drei Spulengruppen braucht. Aber die Fahrzeuge fahren mehr oder weniger ruckartig.


    Mit dem Poti oder Potentiometer, das ein verstellbarer Widerstand ist, kann ich die Taktgeschwindigkeit des Zählers und damit die Fahrgeschwindigkeit der Autos steuern. Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ruckeln die Autos bis jetzt leider.

    Der Versuchsaufbau der Linearmotorsteuerung

    Ich habe bereits eine Platine mit gedruckter Schaltung, aber noch nicht aufgebaut. Vorerst dient eine Schaltung auf einer sogenannten Experimentierplatine. Heute möchte ich Ihnen etwas Elektronik zeigen, falls Sie eine Schaltung löten möchten. Ich habe gerade den zweiten Leistungstransistor eingelötet. Jetzt möchte ich zeigen, wie man diesen und auch seinen Treibertransistor testet, denn Lötfehler passieren schnell und dann beginnt die Fehlersuche. Ich schalte den Zähler auf den ersten Zählerstand und damit auf Phase 1. An seinem Ausgang 2 kommt jetzt eine Spannung von knapp 5 Volt heraus. Der Transistor T1 erhält über den Widerstand R13 diese Spannung und schaltet nach Minus oder Masse durch. Das ist der gemeinsame Minuspol der 5 Volt-Spannung und der Spannung für die Motorspulen, die etwa 12 Volt beträgt.

    Jetzt muß auch de Leistungstransistor T4 schalten und die Motorspule V an den Sternpunkt schalten, an dem alle drei Spulengruppen miteinander verbunden sind.


    Ich baue einen Linearmotor für und ohne das Faller Car System Teil 2

    Ein Linearmotor zusammen mit dem Führungsdraht in der Straße beim Faller Car System geht nicht so einfach, weil der Stahldraht das Magnetfeld des Linearmotors kurzschließt. Also müssen die Magnetspulen für den Stator des Linearmotors neben dem Stahldraht liegen. Wie ich das mache, zeige ich hier im zweiten Video.

    Ein Problem gibt es allerdings mit dem Linearmotor: der Fahrdraht für das Faller car System schließt die Magnetfelder der Fahrdrähte kurz. Das heißt die Magnete sind miteinander verbunden und erzeugen kein Magnetfeld mehr. Auch die Magnetfelder der Magnetspulen des Stators werden kurzgeschlossen, so daß sie kein Wanderfeld mehr produzieren. Um das zu verhindern, teste ich zwei Lösungen:

    1. zwei Reihen von Elektromagnete

    Also müssen die Magnetspulen links und rechts neben dem Führungsdraht angeordnet werden.


    2. Fahrdraht unterbrechen.

    Über die Ergebnisse berichte ich nach den Tests.

    Schaltungsentwicklung

    Hier möchte ich Ihnen zeigen, wie man eine Steuerung für einen Linearmotor entwickelt und baut.

    Das Steuerungsprinzip ist die Blockkommutierung mit sechs Phasen, in denen die eine oder andere der drei Spulengruppen eingeschaltet wird (Bild 8).


    Ich baue einen Linearmotor für und ohne das Faller Car System Teil 3

    Der Linearmotor läuft, aber nur bei einer bestimmten Drehzahl oder Schrittgeschwindigkeit, weil die Motorspulen mit starrer Frequenz laufen und nicht automatisch mit dem fahrenden Fahrzeug kommutiert (eingeschaltet und umgepolt)werden. Jetzt muß also noch automatisch kommutiert werden. Dazu braucht man Sensoren an der Strecke.

    Durch Sensoren (Hall-Sensoren) gesteuerte Kommutierung

    Hallsensoren erfassen die Position des Rotors (Läufers). Damit kann der Motor auch bei sehr niedrigen Drehzahlen betrieben werden, aber diese Sensoren müssen am Motor angebaut werden.

    Sensorlose Kommutierung

    Die Gegen-Spannung wird an den Motorspulen gemessen und die nächste Kommutierung berechnet. Leider funktioniert diese Methode nur ab einer bestimmten Mindestdrehzahl, wenn der Motor genügend BEMF (Gegen-EMK) liefert, während seine Spulen abgeschaltet werden. Bei käuflichen Motorsteuerungen (Frequenzumrichter) wird für den Anlauf des Motors eine feste Frequenz eingespeist.

    Vektorregelung

    Alle Wicklungen werden gleichzeitig bestromt und dabei die Ströme der Rotorlage und dem Drehmoment angepasst, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzeugen. Die Steuerung wird aber umfangreicher und wird hier nicht besprochen.


    Schaltung mit BEMF-Steuerung.

    Die BEMF (Back Electromotive Force) oder Gegen-EMK (Gegen Elektromotorische Kraft) ist die Abschaltspannung der Elektrospulen im Stator. Diese erfasse ich mit drei Operationsverstärkern LM324.

    Für den automatischen Lauf des Motors muß der Komparator einen Schritt weiterschalten, wenn die BEMF-Spannung die Motormittelspannung schneidet. Das macht man bei Mikrocontroller-Steuerungen mit einem Timer. Ich verwende hier keinen Mikrocontroller und mache es mit einem zweiten Zähler, der einen halben Schritt macht (halbe Winkelgrade).

    Die Sternmittelpunktspannung der drei Phasen wird mit drei Widerständen und die BEMF-Spannungen mit den Operationsverstärkern erzeugt. Vorläufig wird der Zähler durch diese BEFM--oder Abschaltspannungen der Motorspulen weitergeschaltet. Das sollte aber bei einer präziseren Steuerung 60 Winkelgrade später erfolgen.
    Diese Methode funktioniert nur ab einer bestimmten Mindestdrehzahl, wenn der Motor genügend BEMF (Gegen-EMK oder Abschaltspannung) liefert, während seine Spulen abgeschaltet werden. Bis jetzt ruckeln die Fahrzeuge, aber sie fahren.
    Durch Sensoren (Hall-Sensoren) gesteuerte Kommutierung
    Die nächste Verbesserung der Fahreigenschaften soll durch sensoren erreicht werden.
    Hallsensoren erfassen die Position des Läufers. Damit kann der Motor hoffentlich auch bei sehr niedrigen Drehzahlen betrieben werden. Diese Sensoren müssen am Motor angebaut werden. Dazu habe ich sogenannte Streifenleiter an die Schiene angeschraubt und die Hall-Sensoren draufgelötet. Auf die Schiene sind die Motorspulen geschraubt oder geklebt.













    Bild 1 Mercedes G in H0 mit Linearmotor


    Bild 2 Stator eines Linearmotors und PKW in Größe H0 mit Dauermagnetchen für den Linearmotor


    Bild 3 So werden sechs Magnetspulen verdrahtet.


    Drehstromgenerator mit Magnetspulen für Linearmotor


    Bild 4 Beispiel für eine Steuerung im Prinzip



    Bild 5 BLDC Controller ZS-X11B.


    Bild 6 Trinamic Controller


    Bild 7 Eigenbau-Controller für Linearmotor


    Bild 8 Schaubild der Motorströme in den sechs Phasen

    Schaltung für Linearmotorsteuerung mit BEMF für sensorlose Motoren

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