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    Brushless DC Motor und Linearmotor

    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, weil es für einen kleinen Motor nicht erforderlich ist.

    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.

    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. 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, 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. Bei diesem Linearmotor mit Relaisspulen hat diese Methode nicht funktioniert.

    Durch Sensoren (Hall-Sensoren) gesteuerte Kommutierung

    Die nächste Verbesserung der Fahreigenschaften soll durch Sensoren erreicht werden.

    MCP 8083 von Microchip

    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. 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 Back EMZ zero-crossing detection, was Abschaltspannungsüberwachung 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 Motorspulen 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. Ein selbstgebauter Linearmotor ist unter "Linearmotor für Fahrzeuge" beschrieben.

    Trinamic TMC11640

    Der Trinamic-Controller TMC 1640 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. Der TMC 1640 ist auch für einen selbstgebauten Linearmotor geeignet. Einen Bericht über selbstgebaute Linearmotoren finden Sie unter "Linearmotor für Fahrzeuge".

    Eigener Controller

    Wir haben einen einfachen BLDC Controller für einen Linearmotor entwickelt und gebaut. Bild 3 ist die Schaltung dieser Linearmotor-Steuerung mit Blockkommutierung. Das Monoflop IC1 liefert immer einen kurzen Spannungsimuls auf den Zähler IC2, wenn einer der Sensoren anspricht und schaltet den Zähler einen Schritt weiter. Mit seinen 6 Stellungen erzeugt er über die Verknüpfungen mit den ODER-Gattern die sechs zeitlichen Phasen für die Blockkommutierung.

    Mit einem Poti oder Trimmer kann die Fahrgeschwindigkeit der Fahrzeuge eingestellt werden. Sie fahren hintereinander alle gleich schnell.

    In Kurven sollen die Fahrzeuge langsamer fahren. deshalb arbeiten T19, T20 und T21 als Verzögerungsglieder oder Timer.

    Entlang der Strecke ist jeweils ein Magetfeld-Sensor zwischen Spule 1 und 2, zwischen Spule 3 und 4 und zwischen 5 und 6 eingebaut. Leider braucht man für eine sichere Kommutierung des Linearmotors diese Hall-Sensoren.

    Bild 1

    Linearmotor

    Bild 2

    Statorspulen des Linearmotors


    Bild 3

    Schaltung für Linearmotor-Steuerung