Prinzip der Steuerungen*

Steuerungen von BLDC-Motorreglern: Prinzipien und Steuerungsmodi

Die Motorregler gewährleisten die präzise Steuerung der BLDC (bürstenlosen Gleichstrommotoren) und PMSM (Synchronmotoren mit Permanentmagneten), indem sie die Gleichstromenergie (DC) aus einer Batterie oder einer Stromversorgung (oft 24 bis 51,2 V) in Wechselstromsignale (AC) umwandeln, die mit der Rotorposition synchronisiert sind.

Die Qualität der Steuerung hängt vom verwendeten Steuermodus, vom Typ der Positionsrückmeldung und von den gewählten Regelparametern ab.

PWM – Pulsweitenmodulation

Die PWM (Pulsweitenmodulation) ist die Grundlage jeder modernen Steuerung.

Sie besteht darin, die Gleichspannung mit einer hohen Frequenz (in der Regel zwischen 10 und 20 kHz) zu zerhacken, um die mittlere Spannung anzupassen, die auf die Phasen des Motors angewendet wird.

Durch die Modulation der Impulsbreite reguliert man:

• Die mittlere Spannung → und damit die Geschwindigkeit des Motors,

• Der Strom → und damit das abgegebene Drehmoment.

Dieses Prinzip gewährleistet eine effiziente Steuerung und begrenzt den aufgenommenen Strom, was den Wirkungsgrad verbessert und die Erwärmung reduziert.

Six-step / Trapezförmig: die einfache und robuste Steuerung

Der Six-step-Modus (oder trapezförmig) ist die häufigste Steuerungsform für einfache BLDC-Motoren.

Der Regler versorgt nacheinander die drei Phasen des Motors gemäß sechs Kombinationen, die über eine vollständige Umdrehung des Rotors verteilt sind.

Diese Umschaltung erfolgt ausgehend von:

• Hall-Sensoren, die die Position des Rotors erkennen,

• Oder, in der sensorlosen Version, durch Messung der Gegen-EMK (back-EMF).

Vorteile:

• Einfache und kostengünstige Elektronik,

• Schnelle Reaktion, wenig Berechnungen erforderlich,

• Ausreichend für Anwendungen mit konstanter Geschwindigkeit.

Grenzen:

• Leicht gewelltes Drehmoment (Vibrationen bei niedriger Drehzahl),

• Weniger geeignet für sehr niedrige Geschwindigkeiten oder Präzisionsanwendungen.

FOC – Feldorientierte Regelung (Vektorregelung)

Die FOC oder Vektorregelung ist die fortschrittlichste Methode zur Steuerung von BLDC/PMSM-Motoren.

Sie besteht darin, den Motorstrom in zwei Komponenten zu zerlegen:

• Achse d: Magnetfeld des Rotors,

• Achse q: Motordrehmoment.

Der Regler steuert diese beiden Ströme separat, was ein perfekt gleichmäßiges Drehmoment und einen besseren Wirkungsgrad ermöglicht, selbst bei variabler Geschwindigkeit oder schwankender Last.

Diese Technik erfordert:

• Einen Positionssensor (Hall, Encoder, Resolver)

• Oder eine sensorlose Schätzung durch Echtzeitberechnungen.

Vorteile:

• Flüssiges und leises Drehmoment,

• Ausgezeichnete Energieeffizienz,

• Präzise Kontrolle von Geschwindigkeit und Drehmoment.

Nachteile:

• Komplexere Berechnungen,

• Erfordert einen leistungsfähigeren Regler und eine sorgfältige Parametrierung.

Regelkreise: Geschwindigkeit und Drehmoment

Moderne Regler integrieren mehrere geschlossene Regelkreise, in der Regel vom Typ PID (Proportional – Integral – Derivative):

• Stromregelkreis (Drehmoment): reguliert sofort die vom Motor erzeugte Kraft.

• Geschwindigkeitsregelkreis: hält die gewünschte Drehzahl unabhängig von der Last.

• Positionsregelkreis (optional): wird in robotisierten oder automatisierten Systemen verwendet.

Die Parametrierung des Reglers besteht darin, festzulegen:

• Die PID-Gewinne (Reaktivität und Stabilität),

• Die Grenzen von Strom, Drehmoment oder Geschwindigkeit,

• Die Beschleunigungs- und Bremsrampen,

• Und manchmal die Bewegungsprofile (S-Rampe, kontrolliertes Bremsen, Positionshaltung).

Zusammenfassung

Fazit

Die Wahl des Steuermodus hängt in erster Linie vom angestrebten Leistungsniveau ab:

• Für einfache oder robuste Anwendungen → Six-step ist ausreichend.

• Für eine flüssige, präzise und energieeffiziente Steuerung → FOC ist erforderlich.

In jedem Fall gewährleisten eine gute Abstimmung der Regelkreise und eine angepasste Parametrierung einen stabilen, leistungsfähigen und langlebigen Betrieb des Motors.

*: 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.