BLDC-Motorcontroller mit Energiesparfunktion

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Präzise Motoransteuerung mit Raumvektor-PWM

Gegenüber Wechselstrommotoren und Gleichstrommotoren mit Bürsten nutzen BLDC-Motoren also eine modernere Technik, die im Hinblick auf die Reduzierung des Energieverbrauchs und den Schutz der Umwelt eindeutig einen höheren Nutzen haben.

BLDC-Motoren lassen sich auf zwei Arten ansteuern: Trapez-Kommutierung oder SVPWM (Space Vector Pulsweitenmodulation), wobei die SVPWM in der Industrie am meisten verbreitet ist.

Die für eine genaue Motoransteuerung benötigten sinusförmigen Signale erfordern eine hohe Auflösung. Leider ist dieser Ansatz für gängige Anwendungen sehr teuer und damit unrealistisch. Die Lösung dafür ist die Raumvektor-PWM (SVPWM). Diese arbeitet mit einem dreiphasigen Signal, mit dem ein kreisförmiges Drehfeld zwischen dem Rotor und dem Stator aufgebaut wird. Der dazu eingesetzte Controller nutzt unterschiedliche Schaltmodi, um dieses kreisförmige Drehfeld anzunähern.

Die Schaltsteuerung vergleicht das generierte Feld mit dem idealen kreisförmigen Feld und passt das PWM-Signal jeweils entsprechend an. In einem BLDC-Motor werden der Controller und der Motor als eine Einheit betrachtet. Der SVPWM-Controller kann eine konstante Feldamplitude sowie ein kreisförmiges Feld erzeugen, indem dieses mit Hilfe eines Signals in Form eines Tangentenpolygons angenähert wird.

Die SVPWM-Steuerung nutzt entweder die Open-Loop-Flux- oder die Closed-Loop-Flux-Methode. Die Open-Loop-Flux-Methode nutzt zwei Nicht-Null-Vektoren und einen Null-Vektor, um einen Spannungsvektor zu erzeugen. Wenn die Abtastzeit ausreichend kurz ist, gibt es keine Einschränkungen bei den erzeugten Spannungsvektoren. Die auf diese Weise generierte Ausgangspannung ist um 15% höher als bei einer sinusförmigen Modulation, und die Summe der effektiven harmonischen Ströme erreicht das Minimum.

Durch den Vergleich des erwarteten Flusses mit dem vorgegebenen Fluss erlaubt die Closed-Loop-Flux-Methode eine Rückkopplung, um den Fluss und die Änderungsrate zu steuern. Dies bestimmt letztlich den nächsten Spannungsvektor, der das benötigte PWM-Signal erzeugt. Diese Methode vermeidet die Einschränkungen des Open Loop Flux: hier kann ein hoher Statorwiderstand Probleme verursachen, wenn der BLDC-Motor mit niedriger Geschwindigkeit läuft. Der Closed-Loop-Flux-Ansatz kann so Vibrationen und Geräusche reduzieren.

Fairchild bietet eine ganze Reihe von BLDC-Motor-Referenzschaltungen für seine Produkte an. Es hat beispielsweise das Motorsteuerungs-IC FCM8201/02 zwei Steuer-Modi (Rechteck, Sinus), die für unterschiedliche Produkte ausgewählt werden können. Der FCM8201/02 integriert außerdem einige Schutzfunktionen, die ansonsten in Form von Software implementiert werden müssten. Der FCM8201/02 erfordert dadurch einen geringeren Entwicklungsaufwand und ermöglicht eine kürzere Time-to-Market. Andere Produkte wie die intelligenten Leistungsmodule (SPM, Smart Power Module) von Fairchild und Leistungsmanagement-ICs erlauben es ebenfalls, schnelle Komplettlösungen aufzubauen.

Produkte lassen sich gezielt für verschiedene Anwendungen entwickeln. Der korrekt angesteuerte bürstenlose Motor zeichnet sich durch geringe Schaltverluste aus, obwohl keine genaue Rotorrückkopplung vorhanden ist. Aufgrund des höheren Drehmoments ist dieser Motortyp für Anwendungen mit hoher Leistung geeignet, wie beispielsweise Fahrzeuge, Pumpen, Werkzeugmaschinen, industrielle Lüfter und Outdoor-Anwendungen.

Die mit Sinus-Signalen angesteuerten bürstenlosen Elektromotoren bieten den Vorteil eines sanften, geräuschlosen Betriebs ohne Vibrationen. Diese Motoren sind zum Beispiel für Staubsauger, Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen und Lüfter geeignet. Alle im Heimbereich verwendeten Ventilatoren sollten geräuschlos und effizient einen natürlichen Luftstrom erzeugen, unabhängig davon, ob diese ohne Propeller arbeiten oder ob es Stand- oder Deckenventilatoren sind. Die Ventilatoren sollten die Luft nicht direkt auf Personen geben, sondern sie müssen einen hohen Komfort bieten.

In der Vergangenheit konnten Wechselstrommotoren diese Funktionalität mit entsprechendem Wirkungsgrad nur mit Hilfe einer komplexen Steuerung und zusätzlicher mechanischer Maßnahmen erreichen. Dadurch waren diese Ventilatoren größer und merklich teurer. Ein BLDC-Motor dagegen zeichnet sich sowohl durch sehr niedrige Betriebskosten als auch eine preiswerte Herstellung aus. Zudem lässt sich sehr einfach eine intelligente Steuerung integrieren, sodass der Anwender ein komfortables Produkt erhält.

Die enthaltenen Schutzschaltungen sind ein weiterer Vorteil des Design-Ansatzes von Fairchild. Um den Chip vor zu hohen Strömen und einer Schädigung zu schützen, besitzen die Bauteile der FCM82XX-Serie eine integrierte OCP-Schaltung (Over Current Protection, Überstromschutz).

Der Controller-Baustein FCM8201/02 bietet insgesamt drei Modi zum Schutz vor zu hohen Strömen. Die erste Betriebsart ist ein Schutz vor zu hohen Strömen, wobei die Schwellenspannung (VOCP_OL) bei 1,4 V liegt. Der zweite Betriebsmodus ist ein Periode-zu-Periode-Stromschutz mit einer Schwellenspannung (VOCP_CYC) von 1,5 V. Der dritte Modus schließlich ist ein Kurzschlussstromschutz mit einer Schwellenspannung (VOCP_SH) von 2,5 V.

Wie die Beispiele gezeigt haben, bieten hocheffiziente Elektromotoren mit geeigneter Ansteuerung eine gute Möglichkeit, um Energie einzusparen bei gleichzeitiger Erhöhung des Komforts für den Anwender. Dies erfordert den gezielten Einsatz von Halbleiterbausteinen zur Ansteuerung von sensorlosen BLDC- oder PMSM-Motoren (Permanentmagnet-Synchronmotoren). Wird die gesamte Design-Lösung zudem mittels Software simuliert, dann lässt sich der Wirkungsgrad optimieren. //KU

* * Scott C. Chen ... ist zuständig für das Layout/Mask Design Management bei Fairchild in Taiwan

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