Was ist BLDC-Motorsteuerung?
Elektronisch kommutierte oder „bürstenlose“ Motoren werden immer beliebter, da sie einen höheren elektrischen Wirkungsgrad und ein besseres Verhältnis zwischen Drehmoment und Gewicht liefern als ihre mechanisch kommutierten Gegenstücke mit Bürsten. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) werden allgemein als Permanentmagnet-Synchronmaschinen (PMSM) definiert, die aufgrund ihrer konzentrierten Statorwicklungen eine trapezförmige Gegen-EMK aufweisen. Dies unterscheidet die BLDC-Motoren von den PMSM-Motoren, die aufgrund verteilter Statorwicklungen eine sinusförmige Gegen-EMK aufweisen.
MATLAB-Animation zum Vergleich des Betriebs eines BLDC-Motors und der PMSM. Die Animation basiert auf Simulationsergebnissen des Simscape Electrical-Modells.
Bürstenlose Gleichstrommotoren werden in der Regel trapezförmig gesteuert, aber es wird auch die feldorientierte Steuerung eingesetzt. PMSM-Motoren arbeiten in der Regel nur mit einer feldorientierten Steuerung. Die trapezförmige BLDC-Motorsteuerung ist eine einfachere Technik als die feldorientierte Steuerung; bei ihr führen jeweils nur zwei Phasen Spannung. Für die Drehmomentregelung ist nur ein PID-Regler erforderlich und im Gegensatz zur feldorientierten Steuerung sind keine Koordinatentransformationen mittels Park- und Clarke-Transformationen notwendig.
MATLAB-Animation zum Vergleich des Betriebs von BLDC-Motoren mit einem und zwei Polpaaren. Die Animation basiert auf Simulationsergebnissen des Simscape Electrical-Modells.
Beim Entwurf eines BLDC-Motorreglers mit einem Trapezverfahren führen folgende Entwickler folgende Aufgaben aus:
- Entwicklung einer Reglerarchitektur mit einem PI-Regler für die innere Strom-/Spannungsschleife
- Entwicklung von PI-Reglern für die optionalen äußeren Drehzahl- und Positionsregelkreise
- Abstimmung der Verstärkungen aller PI-Controller auf die Leistungsanforderungen
- Entwickeln einer SVM-Steuerung
- Entwickeln einer Logik für Fehlererkennung und -schutz
- Verifizierung und Validierung der Controller-Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen
- Implementierung eines Controllers in Fest- oder Gleitkommadarstellung auf einem Mikrocontroller
Der Entwurf von BLDC-Motorsteuerungen mit Simulink ermöglicht die Verwendung von Multirate-Simulationen, um Regelungsalgorithmen zu entwerfen, abzustimmen und zu verifizieren sowie Fehler über den gesamten Betriebsbereich des Motors zu erkennen und zu korrigieren, bevor die Hardware getestet wird. Durch die Simulation mit Simulink können Sie den Aufwand für Prototypentests reduzieren und die Robustheit von Regelungsalgorithmen gegenüber Fehlerbedingungen überprüfen, für die Tests an der Hardware nicht praktikabel wären. Sie können:
- einen BLDC-Motor mit trapezförmiger oder beliebiger Gegen-EMK modellieren
- Stromregler, Drehzahlregler und Modulatoren modellieren
- Leistungselektronik für Wechselrichter modellieren
- Verstärkungen von BLDC-Motorsteuerungssystemen mithilfe von linearen Regelungsentwurfstechniken abstimmen, etwa mit Bode-Diagramm und Wurzelort, sowie Techniken wie automatischer PID-Abstimmung
- Anfahren, Abschalten und Fehlermodi sowie Entwicklung von Derating- und Schutzlogiken für den sicheren Motorbetrieb modellieren
- Algorithmen zur Signalaufbereitung und -verarbeitung für die E/A-Kanäle entwerfen
- Motor und Regler im geschlossenen Regelkreis zum Testen der Systemleistung unter normalen und abnormalen Betriebsbedingungen simulieren
- ANSI-, ISO- oder prozessoroptimiertem C Code und HDL für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und zur Implementierung in der Produktion automatisch generieren
Beispiele und Anleitungen
Berichte von Anwendern
Software-Referenz
BLDC-Motorsteuerung FAQs
Ein BLDC (brushless DC) Motor ist eine Permanentmagnet-Synchronmaschine mit trapezförmiger Gegen-EMK aufgrund konzentrischer Statorwicklungen, die eine höhere elektrische Effizienz und ein besseres Drehmoment-zu-Gewichts-Verhältnis als bürstenbehaftete Motoren bietet.
BLDC-Motoren weisen aufgrund konzentrischer Statorwicklungen eine trapezförmige Gegen-EMK auf, während PMSM-Motoren aufgrund verteilter Statorwicklungen eine sinusförmige Gegen-EMK aufweisen.
Die trapezförmige / Sechsschrittsteuerung ist eine einfachere Technik als die feldorientierte Steuerung, bei der jeweils nur zwei Phasen energisiert werden und die keine Clarke- und Park-Transformationen benötigt.
Für BLDC-Motoren wird typischerweise die trapezförmige Steuerung verwendet, wobei für anspruchsvollere Anwendungen auch die feldorientierte Steuerung eingesetzt wird.
Ingenieure entwickeln Controller-Architekturen mit PI-Reglern für Strom-/Spannungsschleifen und optionalen Drehzahl-/Positionsschleifen, stimmen Reglerverstärkungen ab, implementieren Sechsschritt- und SVM-Steuerungsfunktionen, erstellen Fehlererkennungs- und Schutzlogik, verifizieren die Leistung über Betriebsbedingungen hinweg und setzen den Controller auf einem Mikrocontroller ein.
Simulink unterstützt die Auslegung der Motorsteuerung, indem es Multirate-Simulationen ermöglicht, mit denen Steuerungsalgorithmen vor Prototypentests entworfen, abgestimmt und verifiziert werden können. Ingenieure können Motoren, Inverter und Steuerlogik modellieren, Regelverstärkungen mit linearen Regelungstechniken abstimmen und automatisch C-Code oder HDL für die Implementierung auf Embedded-Zielen erzeugen.
Man kann BLDC-Motoren mit trapezförmigen oder benutzerdefinierten Gegen-EMK-Profilen modellieren, Inverter und andere leistungselektronische Wandler im Rahmen der Simulation von Leistungselektronik abbilden, Strom- und Drehzahlregler implementieren sowie Start-, Stopp- und Fehler-Modi mit Schutzlogik simulieren.
Siehe auch: Simscape Electrical, feldorientierte Steuerung, PID-Regelung, Raumzeigermodulation, Motorsteuerungsentwicklung mit Simulink, Regelungsentwicklung für Leistungselektronik mit Simulink, MPPT-Algorithmus, Leistungselektronik-Simulation
