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Die anderen Motoren in Elektrofahrzeug-Systemen – Teil 3

| Autor/ Redakteur: Chris Clearman* / Benjamin Kirchbeck

Nicht nur der reine Elektromotor in einem E-Auto ist von Bedeutung: Es geht auch um die Elektrifizierung (d. h. den Ersatz von hydraulisch oder per Keilriemen angetriebener Systeme durch E-Motoren) in elektrischen oder nichtelektrischen Antriebssystemen. Teil 3

Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind.
Moderne Gatetreiber in Dreiphasen-Motorsystemen mit 1 kW Leistung enthalten eine Vielzahl integrierter Features, die wichtig für die allgemeine Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des gesamten Systems sind.
( Bild: Texas Instruments )

Die Schaltvorgänge des Dreiphasen-Wechselrichters müssen mithilfe digitaler Logik – meist mit einem programmierbaren Mikrocontroller (MCU) – gesteuert werden, um das Drehmoment oder die Drehzahl des Motors zu regulieren und gleichzeitig den Wirkungsgrad zu maximieren (Aufbringung des erforderlichen Drehmoments mit möglichst geringem Strom). Bei der Verwendung von Hall-Sensoren ist es relativ einfach, einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Sechsschritt-Kommutierung (Trapez-Ansteuerung) zu kommutieren. Der dafür erforderliche Aufwand an digitaler Logik ist überschaubar (ein sehr kleiner programmierbarer Mikrocontroller oder sogar ein fest codiertes ASIC reichen aus).

Allerdings hat das Sechsschritt-Verfahren hinsichtlich der Drehmoment-Effizienz eine Reihe von Nachteilen:

  • Die trapezförmige Sechsschritt-Kommutierung erzeugt die Magnetfelder im Stator nur in einer von sechs Lagen. Der Motorwirkungsgrad ließe sich dagegen maximieren, wenn das Stator-Magnetfeld in einer bestimmten, synchronisierten Ausrichtung zum sich konstant bewegenden Magnetfeld des Rotors erzeugt werden könnte.
  • Das Umschalten zwischen diesen sechs Zuständen erzeugt eine Welligkeit – d. h. eine kurzzeitige Verringerung und anschließende Korrektur – des vom Motor erzeugten Drehmoments. Dies wiederum beeinflusst die Qualität der Drehzahlregelung und kann sogar hörbare Störgeräusche hervorrufen.
  • Auch die Dynamik (die Fähigkeit zur Anpassung des Drehmoments an die jeweilige Last) wird beeinflusst.
  • Eine weitere Beeinträchtigung des Wirkungsgrads entsteht, wenn die trapez- bzw. rechteckförmige Ansteuerung bei Motoren eingesetzt wird, die – hauptsächlich wegen der Produktionskosten – typisch so bewickelt sind, dass sie eine sinusförmige Gegen-EMK erzeugen. Die meisten Motoren laufen effizienter und effektiver, wenn sind mit Sinus- anstatt mit Rechteckwellen angesteuert werden.

Die Vektorregelung (Field Oriented Control – FOC) bewährt sich bei den meisten dieser Motoren besser, denn sie ermöglicht die Erzeugung eines Statorfelds, das besser auf das Rotorfeld ausgerichtet und zu ihm synchronisiert ist, sodass ein maximales Drehmoment erzeugt wird. Die sanften Übergänge zwischen den Statorzuständen erfolgt gleichmäßig, was die Drehmomentwelligkeit beseitigt und die Dynamik des Systems verbessert.

Der Wirkungsgrad profitiert von der Tatsache, dass die an den Motorwicklungen liegenden Spannungen sinusförmig sind. Dennoch ist die Vektorregelung nicht wesentlich komplexer als die Sechsschritt-Ansteuerung bürstenloser Gleichstrommotoren. Sie misst mindestens zwei Phasenströme anstelle eines Bus-Stroms, nimmt einige zusätzliche mathematische Berechnungen vor, enthält zwei PI-Stromregler (Proportional-Integral) anstatt eines einzigen und führt eine Reihe weiterer Berechnungen für die Erzeugung der PWM-Signale (Pulsweiten-Modulation) durch.

Nicht vergessen werden darf der Rotorsensor. Die bei der Sechsschritt-Ansteuerung benutzten Hall-Sensoren können der Vektorregelung keine hinreichend genaue Information über die Position des Rotormagnetfelds geben. Außerdem entstehen durch Hall-Sensoren gewisse Anfangskosten (z. B. für zusätzliche Verdrahtung und Spannungsanforderungen), und auch über die Lebensdauer sind wegen der geringen Zuverlässigkeit und hohen Systemausfallrate der Hall-Sensoren höhere Kosten einzukalkulieren.

Für bestimmte Anwendungen (z. B. Kompressoren) kommen Hall-Sensoren außerdem wegen mechanischer Restriktionen nicht in Betracht. Abhilfe kann die Verwendung eines anderen Sensortyps für das Rotor-Magnetfeld schaffen. Digitale Winkelcodierer, wie sie oft in hochpräzisen Servoantrieben eingesetzt werden, und analoge Resolver (sie kommen häufig bei den Traktionsmotoren von Elektrofahrzeugen zum Einsatz) sind gegenüber einfachen Hall-Sensoren jedoch teuer und nicht praktikabel. Bleibt als einzige Lösung die sensorlose Vektorregelung.

Die sensorlose Vektorregelung nutzt Software-Algorithmen zum Abschätzen der Position des Rotor-Magnetfelds (und häufig auch der Rotordrehzahl) anhand der Ströme und/oder Spannungen im Wechselrichter. Sensorlose Positionsschätzer (oder Observer) werden bereits seit 25 Jahren theoretisch beschrieben, entwickelt und eingesetzt. Ihre praktische Umsetzung aber blieb weitgehend jenen Firmen vorbehalten, die intensiv in den Aufbau des entsprechenden Know-hows (im Bereich der Wechselstromantriebe, der Regelung von Industriemotoren sowie der fortschrittlichen Anlagen und Automotive-Anwendungen) investiert haben.

Von TI gibt es bereits seit 20 Jahren Softwarebibliotheken und System-Beispiele für die sensorlose Vektorregelung. Im Zuge dieses Prozesses haben wir einige entscheidende Einschränkungen der konventionellen sensorlosen Vektorregelungs-Lösungen erkannt, die von den Halbleiterunternehmen (darunter auch von uns) angeboten werden. Wir entwickelten deshalb einen neuen Software-Observer (FAST) und eine neue Regelungslösung (InstaSPIN-FOC), die die beschriebenen Probleme löst.

InstaSPIN-FOC wird durch eine chipintegrierte Bibliothek ermöglicht, die in drei Versionen der echtzeitfähigen 32-Bit Piccolo MCU-Familie eingebaut ist. Piccolo-MCUs kommen in großem Umfang in Industrie- und Automotive-Anwendungen zum Einsatz und sind für den Industrie-Temperaturbereich (-40 °C bis +105 °C) und für AEC-Q100 (-40 °C bis +125 °C) lieferbar. Die beste Möglichkeit, Ihren Motor zum Drehen zu bringen, besteht im Erwerb eines auf InstaSPIN-FOC basierenden Evaluierungs-Moduls für einen Dreiphasen-Motor mit den benötigten Spannungs- und Stromwerten.

* * Chris Clearman, C2000 Product Marketing, arbeitet seit über 15 Jahren für Texas Instruments.

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