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.

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.

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