Motion Control Winkelsensoren und Hall-Schalter für hochdynamische Anwendungen

Mit einer neuen Generation von Winkelsensoren in Kombination mit neuen Hallschaltern verbessert Infineon die Energieeffizienz und Laufruhe von bürstenlosen Gleichstrommotoren.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

FAULHABER Antriebssysteme

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Infineon Technologies AG

Bei einem bürstenlosen Gleichstrom-motor besteht der Rotor aus einem Permanentmagnet und der Stator beinhaltet die Wicklungen. Die Umkehr der Stromrichtung (Kommutierung) in den einzelnen Wicklungen erfolgt nicht mehr durch einen mechanischen Kommutator, auf dem Bürsten gleiten, sondern elektronisch. Für das Ansteuern der Statorwicklungen und die erforderliche Ermittlung der Rotorposition sind präzise und schnelle Positionssensoren notwendig. Dabei kann prinzipiell zwischen Blockkommutierung (beispielsweise mit Hallschaltern) und (magnet-)feldorientierter Kommutierung unterschieden werden.

Gegenüber der Block-Kommutierung mit diskreten Schaltpunkten, wo im Wesentlichen der Sektorübergang des Rotors erfasst werden muss, erfordert die für hochdynamische Lasten oder präzise Antriebe genutzte feldorientierte Kommutierung eine sehr genaue Kenntnis der Rotorlage mit kontinuierlicher Positionsinformation. Diese kann z.B. mit Winkelsensoren oder mit sensorlosen Prinzipien ermittelt werden.

Bei sensorlosen Konzepten wird die Rotorlage über den Verlauf der induzierten Gegenspannung berechnet, mit einem höheren Aufwand bezüglich Mikrocontroller und Software-Algorithmen. Nachteilig ist hier auch, dass dieses Prinzip erst mit einer bestimmten Umdrehungszahl des Rotors zuverlässige Informationen zur Ansteuerung liefert. Dadurch besitzen sensorlose BLDC-Motoren oft ein schlechteres Anlaufverhalten. Bei der Blockkommutierung erfolgt die Rückmeldung der Rotorlage üblicherweise durch drei im Motor eingebaute Hall-Sensoren. Der zweipolige Steuermagnet und die um 120° versetzt angeordneten Hall-Sensoren liefern pro Umdrehung sechs verschiedene Schaltkombinationen (Bild 1).

Die drei Teilwicklungen werden entsprechend den Sensorinformationen in sechs verschiedenen Leitphasen bestromt. Strom- und Spannungsverlauf sind blockförmig. Die Ausgangssignale der Sensoren liefern ein digitales Muster, das mithilfe weniger logischer Operationen bereits eine Ansteuerung der Wicklungen zulässt. Komplexe Algorithmen zur Ansteuerung sind daher nicht erforderlich. Im einfachsten Fall kann die Blockkommutierung ohne Mikrokontroller implementiert werden.

Vorteile sind demnach eine relativ einfache und kostengünstige Elektronik, hohe Genauigkeit, ein kontrollierter Anlauf und hohe Anlaufmomente. Die neuen Hallschalter TLE4961-1 oder TLE4968 von Infineon Technologies ermöglichen eine exakte Erfassung der Rotor-Position mit präzisen magnetischen Schaltpunkten für eine leistungsfähige Blockkommutierung von BLDC-Motoren.

Bei der Block-Kommutierung werden, wie eingangs beschrieben, die drei Hall-Schalter mit jeweils 120° Phasenverschiebung um den Rotor positioniert. Sie erkennen den Nord- bzw. Südpol und geben entsprechend logisch 0 bzw. logisch 1 aus. Aus den logischen Zuständen aller drei Hall-Schalter lässt sich dann die Stellung des Rotors in Sektoren von jeweils 60° bestimmen. Anhand dieser Information werden die Wicklungen des Rotors zeitgerecht geschaltet. Die Sensoren müssen dafür die Position des Rotors präzise erfassen.

Idealerweise liefern die Sensoren ein Kommutierungssignal unabhängig vom Drehmoment. Ein entscheidendes Kriterium für die Sensoren ist, das sie phasentreu schalten, da ansonsten eine Phasenverschiebung zwischen dem Schalten der Wicklungen und der Rotorposition entsteht. Phasenverschiebung führt zu größeren Drehmomentschwankungen, mehr Geräuschentwicklung und einer Verschlechterung der Energieeffizienz.

Jeder Sensor weist allerdings fertigungsbedingt Abweichungen bezüglich des magnetischen Schaltpunktes auf. Außerdem verlieren die Permanentmagnete in den BLDC-Motoren mit steigender Temperatur etwas an magnetischer Feldstärke. Zudem kommt es zu Drift-Einflüssen durch mechanischen Stress und Temperaturschwankungen. Um ein präzises Schalten der Hall-Sensoren zu gewährleisten, müssen diese Effekte kompensiert werden.

Die Hall Schalter TLE4946-2 sowie die neuen TLE4961-1 und TLE4968 (Bild 2) zeichnen sich durch eine hohe Phasentreue aus. Die Sensoren haben eine integrierte Temperaturkompensation der magnetischen Schaltschwelle. Dabei wird die Schaltschwelle abhängig von der Temperatur nachgeführt und temperaturbedingte Feldstärkeänderungen des Magneten kompensiert. Zusätzlich erfolgt ein choppen der Hall-Zellen, wodurch die Offset-Drift der Schaltschwellen deutlich reduziert und eine bessere Stabilität erreicht wird.

Es erhöht sich dadurch zwar die Zeit zwischen Messung und Wechsel des Ausgangssignals geringfügig, diese Delay-Zeit ist jedoch konstant und kann bei der Blockkommutierung drehzahlabhängig vorgehalten werden. Bild 3 zeigt Berechnungen der Phasendrift als Summe aus Delaytime und Drift der Schaltschwelle für zwei Sensoren: TLE4961-1 (chopped) im Bild oben und die eines Wettbewerbsproduktes (unchopped) darunter. Deutlich wird hier der große Einfluss der Drift auf die Phasentreue, wobei der TLE4961-1 insgesamt einen deutlich geringeren Phasenfehler aufweist.

Die neuen Hall-ICs mit ihren integrierten Kompensationsschaltungen sorgen für ein stabiles Temperaturverhalten und reduzieren die Einflüsse von Technologie-Variationen. Aktive Fehler-Kompensation (Chopping-Technik) beseitigt Offsets im Signalpfad und den Einfluss von mechanischem Stress auf das Hall-Element. Darüber hinaus weisen die Hall-Schalter auch noch einen sehr geringen Jitter von <0,3 µs auf. Der Ausgangstransistor hat zudem einen integrierten Überstrom- und Übertemperatur-Schutz.

Feldorientierte Kommutierung

Die Blockkommutierung hat einen konzeptbedingten Nachteil. Aufgrund der Einteilung in sechs Sektoren sind während einer Drehbewegung von 60° die Wicklungen konstant geschaltet. D.h. nur kurzzeitig stehen Kraft und Feldlinien exakt 90° zueinander, was höchste Energieeffizienz bedeutet. Kurz vor den Umschaltpunkten stehen Kraft- und Magnetfeldlinienvektoren nur noch mit 60° zueinander; in diesem Punkt sinkt die Effizienz auf nur noch 87%.

Eine Verbesserung bietet ein vom Stator generiertes Magnetfeld, welches sich exakt mit der Rotordrehzahl mitdreht: Kraft und Magnetfeld stehen dann immer senkrecht zueinander. Dieses Prinzip wird dadurch erreicht, dass die Wicklungen nicht mehr sektororientiert ein- oder ausgeschaltet, sondern so gepulst angesteuert werden, dass die Summe der Einzelmagnetfelder der Wicklungen ein permanent optimales Gesamtmagnetfeld hinsichtlich der Rotorposition ergibt. Letztlich wird so ein sinusartiger Strom in den Wicklungen generiert, wodurch Drehmoment und Magnetfeld immer senkrecht zueinander stehen.

Dieses feldorientierte Verfahren bietet Vorteile wie hohe Laufruhe, sehr konstantes Drehmoment und die Möglichkeit einer drehzahldynamischen Ansteuerung. Voraussetzung ist jedoch die hochgenaue kontinuierliche Bestimmung der Rotorposition, welche allein durch Hallschalter nicht mehr bewerkstelligt werden kann. Für diese Messaufgabe sind präzise Winkelsensoren gefragt.

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