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Besser ein BLDC kennen: Sensorless Brushless DC Motor Control

Erfahren Sie mehr über sensorlose bürstenlose DC-Motorcontroller, einige Beispiel-ICs und einige Nachteile der Verwendung solcher Motoren.
Eine kurze Übersicht über bürstenlose und bürstenlose DC-Motoren
Bürstenlose Gleichstrom (BLDC) -Motoren sind gegenüber ihrem Vorgänger, dem bürstenbehafteten Gleichstrommotor, sehr populär geworden (siehe nachstehende Abbildung). Wie der Name schon sagt, verwenden bürstenbehaftete DC-Motoren Bürsten und einen Kommutator, um die Bewegung des Rotors des Motors zu steuern.





Abbildung 1. Gebürstete DC-Motoren verwenden Bürsten und einen Kommutator. Bild mit freundlicher Genehmigung der Clemson University.



Wie der Name schon andeutet, verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren keine Bürsten; Die Motorbewegung wird durch sorgfältig ausgelegte Antriebssignale gesteuert. Im Vergleich zu bürstenbehafteten Motoren bieten bürstenlose Motoren eine verbesserte Zuverlässigkeit, eine längere Lebensdauer, eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht. BLDC-Motoren sind in Anwendungen, bei denen der Wirkungsgrad ein kritisches Problem ist, beliebter geworden, und im Allgemeinen wird ein BLDC-Motor als ein Hochleistungsmotor angesehen, der große Drehmomentmengen über einen weiten Drehzahlbereich bereitstellen kann.

Einige BLDC-Motoren verwenden Hall-Effekt-Sensoren, um die Position des Rotors des Motors in Bezug auf den Stator des Motors zu ermitteln (siehe Abbildung 2 unten).





Abbildung 2. BLDC-Motor mit Hall-Effekt-Sensoren. Bild mit freundlicher Genehmigung von Nidec.com.



Andere Motoren haben keine Sensoren; Sie werden als sensorlose BLDC-Motoren bezeichnet. Anstelle der Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren zur Bestimmung der Position und / oder Geschwindigkeit des Rotors wird ein Phänomen verwendet, das als Gegen-EMK bezeichnet wird (siehe Fig. 3 unten).





Abbildung 3. Sensorlose BLDC-Motorsteuerung mit Gegen-EMK. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip (Seite 4).



Sensorlose BLDC-Motorsteuerung
Die sensorlose BLDC-Motorsteuerung - manchmal als sensorlose trapezförmige Steuerung von BLDC-Motoren bezeichnet - verwendet die Gegen-EMK (BEMF) zur Bestimmung der Position des Motorrotors (des rotierenden Teils des Motors) in Bezug auf den Stator des Motors (den stationären Teil).

Eine an der Wicklung eines Motors anliegende Spannung zwingt den Rotor des Motors, sich zu drehen. Die Bewegung des Rotors durch das Magnetfeld des Motors ist jedoch analog zu dem Verhalten eines Generators, und folglich erhält der Motor nicht nur eine angelegte Spannung, sondern erzeugt auch eine eigene Spannung. Diese Spannung wird als elektromotorische Gegenkraft oder Gegen-EMK bezeichnet und ist proportional zur Motordrehzahl. Back-EMF kann verwendet werden, um die Rotordrehzahl und -position eines Motors zu bestimmen - es sind keine Sensoren erforderlich. Die Steuerung eines Motors mittels Gegen-EMK ist keine einfache Aufgabe; Die meisten sensorlosen BLDC-Motoren werden mit einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor oder einem dedizierten Treiber-IC gesteuert. Die folgende Abbildung zeigt einen typischen sensorlosen BLDC-Motortreiber.





Abbildung 4. Typischer sensorloser BLDC-Motorantrieb.



Der DRV10983 von Texas Instruments ist ein dreiphasiger, sensorloser Motortreiber mit integrierten Leistungs-MOSFETs, die einen kontinuierlichen Steuerstrom von bis zu 2 A liefern können. Er ist hochintegriert und benötigt nur wenige externe Komponenten.





Abbildung 5. TI DRV10983 Sensorless BLDC Motorsteuerungstreiber. Bild mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments (Seite 1).



Nicht alle sensorlosen BLDC-Motorcontroller haben integrierte MOSFETs. Betrachten wir zum Beispiel den A4964 von Allegro. Dieser Teil erfordert die Verwendung von externen N-Kanal-Leistungs-MOSFETs; es kann in Verbindung mit einem Mikrocontroller oder als unabhängiger Einzelchip-Motorcontroller arbeiten.





Abbildung 6. Der sensorlose BLDC-Controller A4964 von Allegro kann entweder mit einem Mikrocontroller oder als unabhängiger Motorcontroller arbeiten. Bild aus dem A4964-Datenblatt.



Wie zuvor erwähnt, wird der Begriff trapezförmig manchmal verwendet, wenn sensorlose BLDC-Motorsteuerungen beschrieben werden. Und wenn man die folgende Abbildung betrachtet, ist es leicht zu verstehen, warum: Die Spannungswellenformen für jede der drei Motorphasen haben eine trapezförmige Form.





Abbildung 7. AN970 von Microchip, die Hall-Sensor-Wellenformen und entsprechende trapezförmige EMF-Wellenformen zeigt. Bild mit freundlicher Genehmigung von Microchip (Seite 3).



Nachteile der sensorlosen BLDC Motor Controller
Wenn sich der Rotor eines sensorlosen BLDC-Motors dreht, kann sein sensorloses Schema perfekt funktionieren. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn der Rotor des Motors stationär ist, und dies führt zu einem Hauptnachteil der Verwendung von sensorlosen BLDC-Motoren. Wenn sich der Rotor des Motors nicht dreht, wird keine Gegen-EMK erzeugt. Ohne Gegen-EMK fehlen dem Antriebsschaltkreis die Informationen, die er benötigt, um den Motor richtig zu steuern.

Für dieses Problem bietet Texas Instruments zwei Lösungen an, die im Datenblatt DRV10983 (Seite 17) aufgeführt sind:

Verwenden Sie die DRV10983-Funktion zur Bestimmung der Anfangslage (IPD), um die Rotorposition "basierend auf der deterministischen Induktivitätsvariation zu bestimmen, die häufig in BLDC-Motoren vorhanden ist".
Oder verwenden Sie die Align-and-Go-Technik. Bei diesem Verfahren wird eine Spannung an eine der Phasen angelegt, um den Rotor in eine bekannte Ausrichtung zu zwingen.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung von sensorlosen BLDC-Motoren ist die Beziehung zwischen der Gegen-EMK und der Winkelgeschwindigkeit. Niedrigere Drehzahlen bedeuten weniger Gegen-EMK und folglich können Hall-Effekt-BLDC-Motoren effektiver als sensorlose BLDC-Motoren in Anwendungen mit niedriger Drehzahl sein.



Abschließend
Bürstenlose Gleichstrommotoren bieten wesentliche Vorteile gegenüber gebräuchlichen Bürstenmotoren. Bürstenlose DC-Implementierungen können sensorlos sein oder basieren auf Hall-Effekt-Sensoren, die in den Motor integriert sind (eine dritte Option ist die Verwendung eines externen Winkelpositionssensors). Sensorlose Systeme reduzieren Kosten und erfordern weniger Verbindungen zwischen dem Treibermodul und dem Motor; Sie können etwas komplex sein, aber leistungsfähige integrierte Schaltungen helfen, die Konstruktionsaufgabe zu vereinfachen. Obwohl normalerweise sensorlose Systeme vorzuziehen sind, kann die Verwendung von Hall-Effekt-Sensoren eine bessere Wahl für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit sein.

Quelle von : allaboutcircuits.com
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