Sensoren und Rückführungsmodi für BLDC/PMSM-Motoren*

Damit ein Controller einen BLDC (Brushless DC)- oder PMSM (Permanentmagnet-Synchronmotor) korrekt steuern kann, muss er ständig die Position des Rotors kennen.

Diese Information ist unerlässlich, um die Phasenumschaltung zu synchronisieren, das Drehmoment, die Geschwindigkeit und in einigen Fällen die absolute Position zu regulieren.

Es gibt mehrere Rückführungstechnologien, die jeweils für ein unterschiedliches Leistungs- oder Präzisionsniveau geeignet sind.

Hall-Sensoren: Einfachheit und Robustheit

Das gängigste System basiert auf drei Hall-Effekt-Sensoren, die direkt im Motor integriert sind.

Diese Sensoren erkennen das Vorbeigehen der magnetischen Pole des Rotors und liefern eine digitale Information (0 oder 1) an den Controller.

• Die drei kombinierten Signale definieren sechs Schaltsektoren pro elektrischer Umdrehung.

• Der Controller schaltet die Motorphasen bei jedem Zustandswechsel um, was ausreicht, um ein stabiles Drehmoment und eine gleichmäßige Geschwindigkeit bei moderater Drehzahl zu halten.

Vorteile:

• Kostengünstige und sehr zuverlässige Lösung.

• Ausreichend für die meisten Anwendungen in der Antriebstechnik, bei Zylindern oder einfachen Automatisierungen.

• Funktioniert auch bei sehr niedriger Geschwindigkeit (im Gegensatz zu sensorlosen Systemen).

Grenzen:

• Begrenzte Auflösung (6 elektrische Positionen pro Umdrehung).

• Leichte Drehmomentschwankungen bei niedriger Geschwindigkeit wahrnehmbar.

Hall-Sensoren sind daher ein hervorragender Kompromiss aus Einfachheit / Robustheit / Kosten für Motoren, die mit 24 bis 51,2 V in mobilen oder industriellen Anwendungen betrieben werden.

Encoder (inkremental oder absolut): Präzision und fortschrittliche Steuerung

Für Anwendungen, die eine präzise Steuerung der Position, Geschwindigkeit oder Bewegung erfordern, sind die Motoren mit einem Encoder ausgestattet.

Es kann sich handeln um:

• einen inkrementalen Encoder (der A/B-Impulse und eine Z-Referenz erzeugt),

• oder einen absoluten Encoder, der direkt die Winkelposition des Rotors liefert.

Einige Encoder liefern Sinus/Cosinus-Signale, die eine sehr feine Interpolation der Position ermöglichen, mit Auflösungen von mehreren tausend Punkten pro Umdrehung.

Vorteile:

• Sehr präzise Steuerung von Drehmoment, Geschwindigkeit und Position.

• Unverzichtbar für robotisierte, synchronisierte oder mehrachsige Systeme.

• Ermöglicht eine leistungsstarke und flüssige vektorielle Steuerung (FOC).

Grenzen:

• Höhere Kosten.

• Erfordert eine strengere Verkabelung und Parametrierung.

Diese Art der Rückführung wird in hochpräzisen elektrischen Zylindern, Maschinenachsen oder landwirtschaftlichen Robotern bevorzugt, wo die Reproduzierbarkeit der Bewegung entscheidend ist.

Sensorlos: Steuerung ohne Sensor

Es ist auch möglich, einen BLDC-Motor ohne physische Sensoren zu steuern.

Der Controller schätzt dann die Position des Rotors, indem er die Gegen-EMK (back-EMF) misst, die von den Wicklungen zum Zeitpunkt der Umschaltung erzeugt wird.

Vorteile:

• Reduzierung der Kosten und Komplexität des Motors (keine Sensoren).

• Erhöhte Zuverlässigkeit in einigen schwierigen Umgebungen (Staub, Vibrationen).

Grenzen:

• Ineffektiv bei sehr niedriger Geschwindigkeit oder beim Start, da die back-EMF zu schwach ist, um gemessen zu werden.

• Weniger robust bei hohen Drehmomenten oder schnellen Lastwechseln.

Sensorlose Lösungen sind für Anwendungen geeignet, bei denen der Motor hauptsächlich mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet und ein unterstützter Start (mechanisch oder softwarebasiert) möglich ist.

Synthetischer Vergleich

Zusammenfassung

Die Wahl des Sensortyps hängt vom erwarteten Leistungsniveau ab:

• Für eine robuste und kostengünstige Steuerung → Hall-Sensoren.

• Für eine feine und synchronisierte Steuerung → Encoder.

• Für minimale Kosten und stabile Geschwindigkeiten → sensorlos.

Die Positionsrückführung ist ein wesentlicher Bestandteil der Motorsteuerung und gewährleistet sowohl die Leistung, Sicherheit als auch die Haltbarkeit des Systems.

*: Die in diesem Artikel präsentierten technischen Informationen sind unverbindlich. Sie ersetzen nicht die offiziellen Anleitungen der Hersteller. Vor jeder Installation, Handhabung oder Nutzung konsultieren Sie bitte die Produktdokumentation und beachten Sie die Sicherheitsanweisungen. Die Website Torque.works kann nicht für eine unsachgemäße Verwendung oder eine falsche Interpretation der bereitgestellten Informationen verantwortlich gemacht werden.