Es gibt eine Reihe verschiedener bürstenloser Motorsteuerungsarten oder -verfahren zum Antreiben bürstenloser Motoren, die die Leistung des Motors verändern.
Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, sowohl technisch als auch teilweise finanziell. Der erste (und typischerweise häufigste) ist ein Trapezantrieb. Der zweite ist ein Sinusantrieb und der dritte ist ein feldorientierter Steuerantrieb (üblicherweise als FOC bezeichnet).
Die trapezförmige Kommutierung kann in zwei Varianten unterteilt werden. Die erste ist die Zwei-Quadranten-Steuerung und die Vier-Quadranten-Steuerung. Abbildung 1 (unten) zeigt das grundlegende Konzept einer Trapezantriebssteuerung für eine Phase des Motors. Die Stromversorgung wird so eingeschaltet, gehalten und dann ausgeschaltet, dass bei Messung in einem Diagramm eine Trapezform entsteht. Durch Timing dieses Musters um die Pole des Motors ist es möglich, den Rotor zu bewegen und somit den Motor drehen zu lassen.
ABBILDUNG 1 – Einfaches trapezförmiges Antriebsmuster für eine Phase
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Ein Quadrant bedeutet im Wesentlichen, dass die PWM in jeder Phase nur zu einem bestimmten Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet ist. Durch Steuern des Schaltens dieser Phasen kann dann der Motor zum Drehen gebracht werden. Aufgrund des Antriebsmusters kann der Motor bei niedrigeren Drehzahlen nervös erscheinen, da das Ein- / Ausschalten des Musters bedeutet, dass er von Pol zu Pol springt. Bei höheren Drehzahlen wird dies durch den Impuls des Rotors ausgeglichen. Trapez mit zwei Quadranten ist daher als Option für höhere Drehzahlen vollkommen in Ordnung, wird jedoch nicht für bürstenlose Motoranwendungen empfohlen, die eine gleichmäßige, zuverlässige Leistung bei niedrigeren Drehzahlen erfordern.
Die Vier-Quadranten-Steuerung wird dann wieder in zwei Teile geteilt. Am einfachsten ist die Verwendung einer Standard-PWM (unipolar – als Zwei-Quadranten-Steuerung). Statt jedoch einfach die H-Brücke auszuschalten (und den Stromkreis zu öffnen), wird ein benachbarter Mosfet ( in einer der beiden freien Phasen) wird während der Ausschaltzeit geschlossen, um eine Gegen-EMK-Schleife zu erzeugen, die den Motor aktiv bremst.
Die unipolare Vierquadrantensteuerung ist die einfachste Form der Vierquadrantensteuerung.
Sie haben dann eine vollständige bipolare Vier-Quadranten-Steuerung, die die benachbarten Mosfets asynchron mit der angetriebenen Phase verschiebt, die im Wesentlichen Strom in die entgegengesetzte Richtung der Motorphase treibt, um den Motor viel schneller zu bremsen, als dies sonst bei einer normalen Zwei-Quadranten-Steuerung der Fall wäre.
Zwei Quadranten sind die kostengünstigste Option, können jedoch keine vollständig gesteuerte Beschleunigung / Verzögerung des Motors bewirken, da sie den Motor nicht aktiv bremsen können, wie dies bei der Vier-Quadranten-Steuerung möglich ist.
Die bipolare Vierquadrantensteuerung bietet die umfassendste Steuerung eines bürstenlosen Motors, ist jedoch viel weniger effizient, da der Strom in die entgegengesetzte Richtung geleitet wird.
Die unipolare Vier-Quadranten-Steuerung befindet sich in der Mitte dieser beiden, da sie beim aktiven Bremsen (über die Gegen-EMK) hilft und auch viel effizienter ist als die bipolare Version.
Letztendlich hängt die beste Option für Ihre Anwendung wirklich davon ab, was Sie benötigen, da bei einer erheblichen Belastung der Motorwelle häufig keine Vier-Quadranten-Steuerung erforderlich ist und dies zusätzliche Kosten verursachen kann.
Die sinusförmige Kontrolle wird im Allgemeinen als der nächste Schritt gegenüber der trapezförmigen Kontrolle angesehen. Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Antriebsmuster für eine Phase des Motors. Dies zeigt eine sanftere Zug- / Druckwirkung, die den Rotor im Wesentlichen viel sanfter herumführt als eine Trapezmethode, die viel weniger reibungslos ein- und ausgeschaltet wird.
ABBILDUNG 2 – Vereinfachtes sinusförmiges Antriebsmuster
In diesem Fall misst der Regler zwei Kommutierungspunkte und schätzt und implementiert dann eine sinusförmige Wellenform zwischen diesen Punkten unter Verwendung der normalen PWM (siehe Abbildung 2 oben).
Dies hat einen enormen Vorteil, wenn es darum geht, das vom Motor / der Last verursachte hörbare Geräusch zu reduzieren, da beim Glätten des Stroms nur ein minimales Ruckeln (Stromsprünge zwischen zwei Kommutierungsschritten) auftritt (der Vergleich zwischen Abbildung 1 und 2 zeigt dies deutlich). Dies kann auch das Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen erhöhen und ist daher besonders nützlich bei Anwendungen, die eine genaue und zuverlässige Leistung bei niedrigen Drehzahlen erfordern. Durch sanftes Ein- und Ausschalten der Phasen beim Drehen des Rotors (im Gegensatz zum Ein- und Ausschalten wie beim Trapezmuster) kann der Motor leiser, ruhiger und von einem höheren Drehmoment profitieren.
Es ist erwähnenswert, dass dies eine viel neuere Technologie als der Standard-Trapezantrieb ist und viel schwieriger zu perfektionieren ist. Da der Motor jedoch weniger rastet und der Strom zwischen den einzelnen Kommutierungsschritten gleichmäßig übergeht, können viel niedrigere Drehzahlen erreicht werden.
Die Sinussteuerung kann auch unter Verwendung von Hoch-CCR-Codierern implementiert werden, um die Sinuswellenform genauer vorherzusagen.
Die feldorientierte Steuerung (Field Orientated Control, FOC) wurde vor langer Zeit für Wechselstrommotoren entwickelt. Aufgrund der technologischen Entwicklungen der letzten Jahre kann diese Technologie nun auch für BLDC-Motoren mit niedrigerer Spannung verwendet werden.
In der Vergangenheit wurde das tatsächliche Magnetfeld im Motor mithilfe von Sensoren während des Betriebs gemessen. Aufgrund der Kostensenkung bei leistungsstarken Mikrocontrollern können erweiterte Formeln und Berechnungen jedoch schnell genug durchgeführt werden, um den Strom innerhalb von zwei Motorphasen (die dritte kann berechnet werden) sehr genau zu messen und die genaue Ausrichtung des Motorrotors zu bestimmen.
Auf diese Weise kann der Mikrocontroller die Berechnungen sehr schnell abschließen und optimierte PWMs an alle drei Motorphasen senden (etwa 10 000 Mal pro Sekunde), um sicherzustellen, dass der Motor jederzeit ein optimales Drehmoment erzeugt. FOC wird manchmal mit sinusförmiger Steuerung verwechselt, da die Stromwellenformen nahezu identisch sind. Der Unterschied besteht darin, dass bei der sinusförmigen Kommutierung der in jeder Position erzeugte Strom normalerweise angenähert wird und Fertigungstoleranzen oder den Motor (oder den Encoder, falls verwendet) und einen Rotor nicht berücksichtigt werden / Lastträgheit des Motors oder der Anwendung.
Da der FOC-Treiber ständig Positionierungs- / Ladeinformationen überprüft und ausführt, ist er immer für jede Anwendung optimiert und arbeitet immer mit maximaler Effizienz, da das elektromagnetische Feld immer in genau 90 Grad zu jedem Motorpol erzeugt wird. Dadurch kann die Motordrehzahl auf fast 0 U / min gesenkt werden.
