Entwicklung von Motortreibern Die treibende Kraft in der Antriebswelt

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Ob im E-Roller, Roboter oder in der Waschmaschine: Elektromotoren sind längst das Herz moderner Technik. Doch mit steigendem Leistungsumfang brauchen Ingenieure heute mehr als Bauteile. Sie brauchen intelligente Tools für zukunftssichere Motorsteuerungen

Motorbetriebene Produkte spielen in allen Branchen und Konsumgütermärkten eine immer wichtigere Rolle. Von Elektrorollern und Gabelstaplern bis hin zu Robotern, Elektrowerkzeugen und intelligenten Haushaltsgeräten – Elektromotoren sind heutzutage zentrale Komponenten vieler technischer Systeme. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Produkte ist auch die Nachfrage nach präzisen, effizienten und reaktionsschnellen Motorsteuerungen gestiegen. Zudem sehen sich Ingenieure heute mit komplexen Konstruktionsanforderungen, engeren Entwicklungsfristen und höheren Leistungserwartungen konfrontiert.

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, reicht es nicht mehr, einfach nur die richtigen Komponenten auszuwählen. Vielmehr benötigen Ingenieure auch Entwicklungswerkzeuge, die eine frühzeitige, genaue Evaluierung und schnelle Prototypenerstellung ermöglichen. Diese Tools müssen verschiedene Steuerungsmethoden unterstützen, unterschiedliche Sensoren und Leistungskonfigurationen berücksichtigen und aussagekräftige Prognosen über die spätere Leistung im realen Einsatz bieten. Mit der zunehmenden Komplexität von Motorsteuerungssystemen wächst somit auch der Bedarf an flexiblen Evaluierungsumgebungen.

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Erfüllung der Anforderungen verschiedener Anwendungen

Zwar variieren die Leistungsanforderungen an motorbetriebene Systeme je nach Anwendung, doch bei den meisten stehen einige gemeinsame Faktoren im Mittelpunkt: reibungsloser Betrieb, hohe Energieeffizienz, minimale Geräuschentwicklung und zuverlässige Leistung unter verschiedenen Lasten und Umgebungsbedingungen.

In Elektromobilitätsanwendungen wie E-Scootern und E-Bikes müssen die Systeme eine präzise Geschwindigkeitsregelung, schnelle Beschleunigung und ein leises Benutzererlebnis unter verschiedensten Betriebsbedingungen bieten. In industriellen Anwendungen müssen Gebläse und Pumpen eine kontinuierliche und konstante Leistung liefern, oft in kompakten Gehäusen mit begrenzter Wärmeableitung. Akku-Werkzeuge erfordern eine effiziente Drehmomentabgabe, kompakte Konstruktion und schnelle Reaktionszeiten. Haushaltsgeräte sind noch komplexer, da sie oft besonders leise sein müssen und das Stromnetz nicht überlasten dürfen. Bei Robotik-Anwendungen wiederum zählen Genauigkeit in der Positions- und Geschwindigkeitssteuerung sowie Anpassungsfähigkeit an variable Lastbedingungen und Umgebungen.

Unabhängig vom Endprodukt jedoch stellen all diese Systeme hohe Anforderungen an die Hardware und Software für die Motorsteuerung. Daher müssen Ingenieure Konstruktionsentscheidungen frühzeitig im Entwicklungsprozess validieren, um sicherzustellen, dass die Systeme im praktischen Einsatz stabil bleiben und wie erwartet funktionieren. Dies erfordert Evaluierungsplattformen, die realistische Bedingungen nachbilden und eine Vielzahl von Testfällen unterstützen können.

Zentrale Anforderungen an eine moderne Evaluierungsplattform

Moderne Entwicklungswerkzeuge für die Motorsteuerung müssen über einfache Demo-Boards hinausgehen. Um eine schnelle Entwicklung zu unterstützen, muss die Einrichtung intuitiv und effizient sein. In vielen Fällen kann es je nach Komplexität der Hardware- und Softwareintegration Tage oder sogar Wochen dauern, bis ein Motor betriebsbereit ist. Eine Plattform, mit der Ingenieure in nur wenigen Stunden eine Platine konfigurieren und einen Motor zum Laufen bringen können, ermöglicht es, die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen. Durch die Reduzierung dieses anfänglichen Aufwands kann eine schnellere Iteration, eine frühere Validierung und damit ein reibungsloserer Übergang vom Konzept zum funktionierenden Prototyp erreicht werden.

Die Plattform sollte auch mit mehreren Kommunikationsprotokollen wie UART, SPI, I2C und CAN kompatibel sein, um die Integration mit verschiedenen Mikrocontrollern und Entwicklungsumgebungen zu ermöglichen. Dank der Unterstützung verschiedener Steuerungsmethoden, darunter Trapez-, Sinus- und feldorientierte Steuerung (FOC), können Teams die Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen testen und Systemziele wie Geräuschentwicklung, Laufruhe oder Drehmomentverhalten erreichen.

Eine integrierte Strommessung und eingebaute Schutzmechanismen sind für einen sicheren Betrieb und Echtzeit-Feedback unerlässlich. Mit diesen Funktionen können Ingenieure das Verhalten der Leistungsstufe unter Last bewerten und Fehler schnell diagnostizieren. Diagnose-LEDs, Inline-Phasenstrommessung und VBUS-Stromüberwachung sind nützlich für die frühzeitige Fehlererkennung und Überprüfung von Konstruktionsprämissen.

Ferner erleichtern Open-Source-Firmware und der Zugriff auf Designdateien die Anpassung der Plattform an spezifische Anforderungen oder komplexere Anwendungsfälle. Dabei können Entwickler mit neuen Algorithmen experimentieren, Hardware-Einstellungen optimieren oder bestimmte Einsatzbedingungen mit weniger Einschränkungen simulieren. In Kombination mit Simulationswerkzeugen wie LTSpice wird die Plattform zu einer Brücke zwischen Modellierung und physischer Validierung.

Darüber hinaus bietet ein modularer Aufbau einen entscheidenden Vorteil. Die Trennung der Wechselrichterstufe von der Steuerungslogik vereinfacht Upgrades, den Austausch von Komponenten und die Anpassung an individuelle Anforderungen. Diese Trennung gewährleistet, dass eine Plattform ohne umfangreiche Umbauarbeiten an verschiedene Projekte angepasst werden kann.

Eine beispielhafte Plattform: Evaluierungs-Kit NEVB-MTR1-KIT1

Ein Beispiel für eine Entwicklungsplattform, die diesen flexiblen Ansatz unterstützt, ist das NEVB-MTR1-KIT1 von Nexperia und Würth Elektronik. Es wurde für Motorensysteme mit niedriger bis mittlerer Spannung entwickelt, unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen zwischen 12 und 48 V und ist für eine Ausgangsleistung von bis zu 1 Kilowatt ausgelegt. Die Plattform ist modular aufgebaut und besteht aus zwei Komponenten: einer dedizierten Dreiphasen-Wechselrichterplatine und einem Mikrocontroller-Board (Bild 1). Sie unterstützt bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) und Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM).

Das Evaluierungs-Kit unterstützt sowohl sensorbasierte als auch sensorlose Steuerungskonzepte und bietet Ingenieuren damit Flexibilität bei der Entwicklung. Für die sensorbasierte Steuerung mit Hall-Effekt-Sensoren, Inkrementalgebern und Absolutgebern wird Firmware mitgeliefert. Für die sensorlose Evaluierung umfasst die Hardware eine integrierte Schaltung zur Erkennung der Gegen-EMK (Gegen-Elektromotorische Kraft), wodurch der Entwicklungsprozess vereinfacht wird, da keine externen Filter oder Mikrocontroller-Komparatoren erforderlich sind. Dieses Konzept reduziert die Komplexität der Einrichtung und erleichtert die Erforschung sensorloser Steuerungsstrategien mithilfe benutzerdefinierter Firmware. Das Kit lässt sich in Arduino Leonardo R3- und Nucleo-Formfaktor-Mikrocontroller integrieren und über Standard-Kommunikationsschnittstellen einfach an externe Systeme anschließen.

Die Leistungsstufe umfasst effiziente LFPAK56-MOSFETs und integrierte Gate-Treiber. Die integrierte High-Side- und Inline-Strommessung liefert Echtzeit-Feedback für die Drehmoment- und Drehzahlregelung. Schutzfunktionen wie Überstrom- und Unterspannungsabschaltung reduzieren das Entwicklungsrisiko während der Evaluierung. Ein integrierter DC-DC-Wandler versorgt die Logik und Steuerung mit Strom, sodass das gesamte System über eine einzige Eingangsquelle betrieben werden kann (Bild 2). Neben der Hardware enthält das Kit LTSpice-Simulationsmodelle, vollständige Schaltpläne, eine Stückliste und Layout-Dateien. Die Open-Source-Firmware wird unter einer MIT-ähnlichen Lizenz bereitgestellt und ermöglicht eine vollständige Anpassung an spezifische Anwendungsfälle oder neue Entwicklungsanforderungen. Diese Art von Plattform ist besonders nützlich für Ingenieure, die Produkte in den Bereichen E-Mobilität, Robotik, Haushaltsgeräte oder industrielle Systeme entwickeln. Sie bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen schneller Bereitstellung, technischer Flexibilität und tiefgehenden Systeminformationen und hilft Teams dabei, schnell vom Konzept zum validierten Design zu gelangen.

Der Schwerpunkt liegt auf der feldorientierten Regelung

Unter den verschiedenen unterstützten Regelungsstrategien hat die feldorientierte Regelung (FOC) in modernen Motortreiberanwendungen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die FOC ermöglicht einen reibungsloseren, präziseren und effizienteren Motorbetrieb, insbesondere bei variierenden Drehzahlen oder unter dynamischen Lastbedingungen. Sie ist besonders nützlich in Hochleistungsanwendungen wie Robotik, Elektromobilität und industrieller Automatisierung.

Bei der FOC werden die dreiphasigen Statorströme in Rotorkoordinaten umgewandelt. Diese mathematische Umwandlung trennt die drehmoment- und flusserzeugenden Komponenten des Stroms, sodass jede Komponente unabhängig gesteuert werden kann. Dadurch verhält sich der Motor hinsichtlich Drehmomentlinearität und dynamischem Ansprechverhalten mehr wie ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor, wobei die Vorteile des bürstenlosen Aufbaus dennoch erhalten bleiben.

Zu den Vorteilen der FOC gehören eine geringere Drehmomentwelligkeit, geringere Geräuschentwicklung, erhöhte Energieeffizienz und verbesserte Steuerbarkeit bei niedrigen Drehzahlen. Diese Vorteile machen die FOC zur bevorzugten Wahl für PMSM, die häufig in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es auf Leistung und Zuverlässigkeit ankommt.

Die Implementierung der feldorientierten Regelung (FOC) stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Sie erfordert eine präzise Strommessung, eine genaue Erfassung oder Schätzung der Rotorposition sowie Echtzeit-Regelalgorithmen, die für jede Anwendung sorgfältig abgestimmt werden müssen. Wegen dieser höheren Komplexität schrecken Ingenieurteams oft davor zurück, FOC in frühen Entwicklungsphasen einzusetzen.

Das Evaluierungs-Kit enthält die erforderliche Hardware zur Unterstützung von FOC, einschließlich integrierter Strommessung und Schnittstellen für sensorbasierte oder sensorlose Positionsrückmeldung. Dies bietet eine solide Hardware-Grundlage für Entwickler, die ihre eigenen FOC-Algorithmen implementieren und damit experimentieren möchten. Da keine anwendungsspezifischen Schaltkreise oder Board-Modifikationen erforderlich sind, können sich die Teams ganz auf die Entwicklung der Steuerungssoftware und die Optimierung des Systemverhaltens konzentrieren, anstatt sich mit der Low-Level-Signalerfassung zu befassen.

In Kombination mit externer Firmware und Simulationstools trägt diese Art von Plattform so dazu bei, den Einsatz von FOC für eine ganze Reihe von Anwendungen zu vereinfachen und Elektromobilitätssystemen. Ihre Prädestinierung für fortschrittliche Steuerungskonzepte wie FOC macht sie somit zu einer wertvollen Ressource für Entwickler, die die Motorleistung auf einer tieferen Ebene optimieren möchten.

Ausrichtung der Tools auf die Entwicklungsziele

Da die Elektromotorentechnologie eine immer wichtigere Rolle spielt, wächst auch die Bedeutung flexibler und realistischer Evaluierungsumgebungen. Ingenieure benötigen Tools, mit denen sie Designs unter realen Bedingungen validieren, verschiedene Steuerungsmethoden vergleichen und frühzeitig fundierte Entscheidungen treffen können. Daher helfen Plattformen, die Modularität, offenen Designzugang und umfassende Steuerungskompatibilität bieten, Entwicklerteams dabei, den neuen Anforderungen gerecht zu werden. Durch schnelle Prototypenerstellung, zuverlässige Tests und optimierte Anpassungsmöglichkeiten reduzieren diese Tools den Entwicklungsaufwand und steigern die Projektdynamik.

Zwar ist kein Evaluierungs-Board in der Lage, alle Herausforderungen zu lösen, aber gut konzipierte Plattformen bringen die Entwicklung dem Ziel einer nahtlosen Hardware-Software-Integration ein ganzes Stück näher. Ob es um die Optimierung der Leistung, Reduzierung von Geräuschen, Verbesserung der Effizienz oder Erweiterung der Produktfunktionen geht. Auch angesichts einer fortschreitenden Entwicklung der Motorentechnologien und zunehmenden Diversifizierung der Anwendungen sind Ingenieure, die mit anpassungsfähigen Evaluierungssystemen ausgestattet sind, bestens positioniert, um an der Spitze zukünftiger Produktinnovationen zu stehen. (mr)

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