Elektromotoren sind überall – in der Waschmaschine, im Trockner, im Kühlschrank, im Auto, in Ventilatoren, Pumpen, Klimaanlagen usw. – und erleichtern unser Leben. Daher ist es wichtig, dass sie so effizient wie möglich arbeiten. Die Menge an Energie, die ein Antrieb verbraucht, hängt in erheblichem Maße vom Controller ab, der die Arbeit des Aktuators steuert. Dank effizienter Komponenten von Microchip ist es möglich, ein solches ergonomisches System zu erstellen. Im Folgenden wird gezeigt, wie ein solcher Schaltkreis konstruiert wird, sowie die Spezifikation der Markenkomponenten, die zu seiner Herstellung verwendet werden.

BLDC-Motororen und ihre Anwendungen

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC, von engl. Brushless Direct Current) werden von Designern und Konstrukteuren zunehmend als Antrieb gewählt. Dies liegt an mehreren Gründen: Sie zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, Effizienz und ein günstiges Leistungs-zu-Größen-Verhältnis aus. Wie der Name schon sagt, werden keine Bürsten verwendet – stattdessen sind im Rotor Permanentmagnete eingebaut, und die Wicklungen befinden sich im Stator. Ströme (mit der gewünschten Frequenz) erzeugen ein elektromagnetisches Feld und bewirken das Abstoßen und Anziehen der Magnete, wodurch die Antriebsachse in Bewegung gesetzt und ihre Geschwindigkeit gesteuert wird. Eine solche Kommutierung erfordert den Einsatz eines geeigneten Controllers, und für dessen Konstruktion kann eine Reihe von Microchip-Produkten verwendet werden, die eine langfristige, präzise und effiziente Arbeit des gesamten Geräts gewährleisten.
 
Wicklungen eines Modell-BLDC-Motors.
Microchip hat den Vorteil, dass es eine breite Palette von Halbleitern und analogen Schaltungen herstellt, sodass aus seinem Angebot alle wichtigen Elemente des Controllers zusammengestellt werden können. Dazu gehören Mikrocontroller, analoge Schaltungen (Operationsverstärker), FPGA-Schaltungen, Leistungskomponenten (z. B. Transistoren). Aus dem über TME verfügbaren Microchip-Angebot können z. B. dsPIC®, PIC® und AVR® Mikrocontroller mit integrierter Motorsteuerungsfunktionalität ausgewählt werden: PWM-Generator, A/C-Wandler (ADC) und gängige Kommunikationsschnittstellen (SPI, CAN, UART). Es sei auch darauf hingewiesen, dass der Hersteller auch spezialisierte Software und Entwicklungstools (MPLAB® X IDE), Entwicklungskits sowie die Motor Control Library bereitstellt, die für schnelles Design und Testen von Steuerkreisen geschrieben wurde. Diese enthalten fortschrittliche Algorithmen, die Steuerungsmethoden wie FOC (Field Oriented Control) unterstützen, sowie Steuerungsprogramme mit trapezförmigen und sinusförmigen Signalen (für BLDC-, PMSM-, ACIM- und Schrittmotoren).

Betrieb und Anwendungen

Die Funktionsweise von BLDC-Motoren wurde bereits erwähnt (auf diese wird in diesem Artikel eingegangen). Die wichtigste Eigenschaft solcher Produkte sind drei (oder mehr) Statorwicklungen, die mit Dreiphasenstrom versorgt werden, der von einem Wechselrichter geliefert wird. Der Rotor mit Permanentmagneten wird durch das von den Statorwicklungen erzeugte wechselnde Magnetfeld gedreht – indem die Frequenz der Signale geändert wird, wird die Geschwindigkeit des Rotors gesteuert. Aber die Frequenz hängt auch von seiner aktuellen Position ab. Letztere wird mit Hilfe von im Motor eingebauten Hall-Sensoren bestimmt. Alternativ wird ein Steueralgorithmus (z. B. FOC) verwendet, dessen Aufgabe es ist, den Strom in den Phasen mit optimalem Zeitraum zu induzieren (basierend auf den Daten über die Drehzahl der Achse).
 
BLDC-Motorsteuerungen sind ein wesentlicher Bestandteil von z. B. elektrisch angetriebenen Fahrrädern.
Da BLDC-Motoren weniger auf mechanische Elemente (Bürsten) angewiesen sind als klassische Motoren, zeichnen sie sich durch ein geringeres Ausfallrisiko aus. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist der geringere Energieverlust (d. h. bessere Effizienz). Darüber hinaus ermöglichen sie eine präzise Geschwindigkeitskontrolle, was in Anwendungen wie Industriemaschinen, Robotern, Drohnen oder Ventilatoren von Bedeutung ist. Ein weiterer, aber nicht weniger wichtiger Vorteil ist die kompakte Bauweise und das relativ geringe Gewicht.

Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften werden BLDC-Motoren neben den genannten Anwendungen auch in Elektrowerkzeugen (z. B. Bohrschraubern), in der Automobilindustrie (ABS-Systeme, Drosselklappensteuerung), in Elektrofahrzeugen (Rasenmäher, Roller, Fahrräder, Autos, Boote), Aktuatoren in der Robotik und industriellen Automatisierung eingesetzt.

Die zunehmende Beliebtheit von Fahrzeugen im Bereich der Mikromobilität, wie elektrische Roller oder E-Bikes, hat zusätzlich zur Erweiterung des Angebots an BLDC-Motoren und effizienten Steuerungen beigetragen. Gemeinsam ermöglichen sie eine hohe Kraftstoffeffizienz (Energieeffizienz) in Zeiten wachsender ökologischer Bewusstheit der Gesellschaften. Da sich der globale Markt in Richtung Elektrifizierung des Transports bewegt, ist zu erwarten, dass Unternehmen, die fortschrittliche Steuerungen herstellen, nicht so schnell einen Rückgang der Nachfrage nach ihren Lösungen verzeichnen werden.

Aufbau des BLDC-Steuermoduls

Im Folgenden wird ein Beispielprojekt eines kompakten Controllers für BLDC-Motoren vorgestellt. Es handelt sich um einen Referenzschaltkreis von Microchip, der die grundlegenden Lösungen zeigt, die in Modulen dieser Art zu finden sind, sowie die Funktionen, die die Komponenten des Herstellers darin erfüllen. Der Controller ist für die Versorgung und Steuerung von BLDC/PMSM-Motoren mit einer Spitzenleistung von bis zu 3 kW und Phasenströmen bis zu 300A ausgelegt. Die Versorgungsspannung kann hier von 18V bis 85V DC betragen, was die Energieaufnahme aus verschiedenen typischen Quellen ermöglicht, einschließlich Lithium-Ionen-Zellenpaketen (bis zu 20 Stück, d. h. 20S-Batterien).

Das Blockdiagramm des Controllers sieht wie folgt aus:
 
Blockdiagramm eines mit Microchip-Komponenten konstruierten BLDC-Controllers.
Quelle: Microchip Technology

dsPIC-Mikrocontroller

Das Herzstück der vorgestellten digitalen Steuerungsschaltung (DSC, Digital Signal Controller) ist der dsPIC33CK256MP505-Mikrocontroller, der mit einer Leistung von 100MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) arbeitet. Dieser Chip enthält unter anderem auch drei interne Operationsverstärker, die in diesem Fall zur Strommessung verwendet werden (linke untere Ecke des Schaltplans). Darüber hinaus unterstützt die dsPIC-Familie den CAN-Transceiver, der in Verbindung mit dem ATA6561-Chip (dazu später mehr) die native Kommunikation mit dem CAN-Bus ermöglicht.

Die einkernigen digitalen Signalcontroller der dsPIC33CK-Familie wurden für Anwendungen entwickelt, die eine Echtzeit-Datenverarbeitung erfordern, insbesondere in Steuer- und Schutzschaltungen, wie im folgenden Videomaterial beschrieben:
 

Die Hochleistungs-Chips sind mit erweiterten Registern ausgestattet, was zu reduzierten Interrupt-Latenzen führt. Darüber hinaus verfügen sie über eine Vielzahl integrierter Peripheriegeräte sowie neue Anweisungen, die die native DSP-Verarbeitung (Digital Signal Processing) ermöglichen. Auch die Ausführungsgeschwindigkeit des Codes wurde verbessert, sodass der Mikrocontroller komplexe Steuerungsschleifen in Echtzeit ausführen kann.

Diese Chips sind ausschließlich in SMD-Formaten erhältlich: TQFP48 und UQFN48. Für Prototyping-Zwecke hat Microchip das Entwicklungskit DM330017-3 vorbereitet. Wichtig ist, dass diese Mikrocontroller einen breiten thermischen Toleranzbereich aufweisen (sogar -40°C bis 145°C), was ihren Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen ermöglicht, die häufig in Motorsteuerungsschaltungen auftreten. Alle diese Produkte sind im TME-Katalog erhältlich.

CAN-Bus-Transceiver

Die CAN-Schnittstelle (Controller Area Network) ermöglicht es den Systemkomponenten, über einen zweidrahtigen Bus zu kommunizieren. In der beschriebenen Schaltung wurde diese Verbindung mit einem schnellen Transceiver in Form des ATA6561-ICs hergestellt.
 
Entwicklungsplatine mit dem ATA6561-Chip erleichtert den Bau von Prototypen.
Die ATA6561-Familie sind CAN-Transceiver, die die Verbindung zwischen dem Mikrocontroller und dem physischen Bus herstellen. Diese Komponenten sind für schnelle (bis zu 5Mb/s) Übertragungen ausgelegt, die z. B. in Automobilanwendungen erforderlich sind. Sie bieten die Möglichkeit, differenzielle Signale zu senden und zu empfangen, die von/durch den Mikrocontroller verarbeitet werden, der die CAN-Schnittstelle unterstützt (direkte Verbindung). Sie zeichnen sich durch hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMC) und Widerstandsfähigkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD) aus. Darüber hinaus verhalten sie sich passiv im Falle eines Stromausfalls und verursachen keine Störungen im Bus. In Kombination mit spezialisierten Sicherheitsfunktionen (fail safe) machen diese Eigenschaften die ATA6561-Chips zur idealen Wahl für alle Arten von CAN-Netzwerken, insbesondere in Systemen, die niedrigen Stromverbrauch und die Möglichkeit des Aufweckens der Komponente durch eine externe Anweisung über die Schnittstelle erfordern.

Wechselrichter

Ein Schlüsselelement bei der Steuerung von BLDC-Motoren ist der dreiphasige Wechselrichter, der hohe Ströme liefert, um das Aktuatorelement gemäß den vom Mikrocontroller empfangenen Niederspannungssignalen zu versorgen (mittlerer Teil des Blockdiagramms). Hier wurde eine solche Schaltung mit sechs hocheffizienten MOSFET-Transistoren mit sehr niedrigem (max. 1,7 mΩ) Durchlasswiderstand (Parameter RDS(ON), d. h. Drain-Source Resistance when On) realisiert, was die Handhabung hoher Phasenströme ohne übermäßige Leitungsverluste (und Überhitzung der Schaltung) ermöglicht. Die Arbeit der Transistoren wird von MIC4104-Treibern gesteuert.
 
Typischerweise hat ein BLDC-Motor 3 Versorgungsleitungen, eine für jede Phase.
MIC4104 sind schnelle, synchrone MOSFET-Treiber. Sie liefern Ströme bis zu 2A (max. Quellstrom -3A). Sie zeichnen sich auch durch sehr kurze Einschaltzeiten (24ns) und Ausschaltzeiten (6ns) aus, d. h. Abfallzeiten des Steuersignals. Diese Schaltungen sind in Form eines Halbbrücken-Schalters (sogenannte H-Brücke) realisiert.

Der MIC4104 ist nach TTL-Parametern realisiert, d. h. die logischen Schwellenwerte liegen bei <0,8V DC für logische „0“ und >2,0V für „1“. Der schnelle und energieeffiziente Schalter sorgt für saubere Übergänge der Ausgangssignale. Der MIC4104 wurde so konzipiert, dass die Schaltung nicht anfällig für Störungen der Stromversorgung und schnelle Spannungsänderungen ist. Der Unterspannungsschutz wurde sowohl auf der niedrigen als auch auf der hohen Seite implementiert. Der MIC4104 zeichnet sich auch durch einen breiten Versorgungsspannungsbereich aus (von 5,5V bis 16V DC). Die niedrige Spannung ermöglicht eine längere Betriebsdauer in batteriebetriebenen Geräten. Die Gate-Steuerspannung wird von der Schaltung auf das Niveau der
VDD-Leitung eingestellt, wodurch die Leistungsverluste minimiert werden.

Alternativ kann hier ein neueres, auf BLDC-Motoren spezialisiertes Gerät verwendet werden, z. B. aus der ATA6847-Familie (vorübergehend sind diese Produkte bei TME auf Sonderbestellung erhältlich). Diese Geräte zeichnen sich unter anderem durch einen breiteren Spannungsbereich (3…48V DC) aus.

Transistoren

Die im Wechselrichter verwendeten Transistoren sind MOSFET-Komponenten: AOTL66912. Sie sind in SMD-Gehäusen erhältlich. Die Gate-Steuerungsschaltung steuert die Anstiegsrate der Spannung und sorgt für regelmäßiges, schwingungsfreies Schalten auf den Versorgungsleitungen (Spannungen bis zu 85V und Spitzenströme bis zu 150A, Spitzenwert).

Temperaturüberwachung 

Um eine optimale Temperatur der Komponenten sicherzustellen, erfordert die vorgestellte Steuerungsschaltung die Verwendung eines Kühlkörpers, der die Wärme von den Transistoren ableitet. Die Temperatur des Kühlkörpers muss kontinuierlich mit einem eingebauten MCP9700A-Temperatursensor überwacht werden. Die Schaltung wandelt die Temperatur in eine analoge Spannung um (eingebauter Thermistor). Dieser kostengünstige und energieeffiziente Sensor zeichnet sich durch eine Genauigkeit von ±2°C im Bereich von 0°C bis +70°C bei einem typischen Stromverbrauch von nur 6µA aus. Im Gegensatz zu Widerstandssensoren wie klassischen Thermistoren erfordert der lineare MCP9700A keine zusätzlichen Komponenten, was das Design vereinfacht und die Kosten senkt.

Die Funktion des MCP9700A-Sensors in einer Schaltung, deren Aufgabe es ist, die Temperatur kontinuierlich zu überwachen, wird im folgenden Videomaterial gezeigt:
 

Der Ausgangspin des Sensors (VOUT) kann direkt an den Eingang des Analog-Digital-Wandlers (ADC) des Mikrocontrollers angeschlossen werden. Der Temperaturkoeffizient des MCP9700A ist so skaliert, dass er eine Auflösung von 1°C/Bit bei einem 8-Bit-A/D-Wandler und einer Referenzspannung von 2,5V oder 5V bietet. Bei einem 12-Bit-Wandler mit einer Referenzspannung von 4,096V wird eine Auflösung von 0,1°C/Bit erreicht. Die Schaltung bietet eine kostengünstige Lösung für Anwendungen, in denen eine Messung der relativen Temperaturänderung erforderlich ist.

Es sei hier erwähnt, dass der MCP9700A ein kompakter Chip ist, der sowohl im klassischen TO92-Gehäuse als auch in SMD-Versionen erhältlich ist: SC70 und SOT23. Der vollständige Messbereich des Sensors reicht von -40°C bis 125°C.

Stromversorgungsschaltung

Es ist zu beachten, dass in der vorgestellten Schaltung die Komponenten mit drei verschiedenen Versorgungsspannungen arbeiten. Für die Gate-Treiber sind es 12V DC, für den Mikrocontroller (DSC-Controller) 3,3V DC, während der im Beispielmotor installierte Hall-Sensor 5V DC benötigt. Darüber hinaus wurde zur Erweiterung des Anwendungsbereichs des Moduls und zur Anpassung an typische Versorgungsspannungen, die in verschiedenen elektrischen Geräten vorkommen, angenommen, dass der zulässige Eingangsspannungsbereich hier von 12V bis 28V reicht. Um eine solche Stromversorgungsschaltung zu realisieren, wurden zwei Arten von Spannungsreglern verwendet: MCP16331 and MCP1754.

MCP16331-Wandler (12V DC-Leitung)

Der MCP16331 ist ein integrierter DC/DC-Wandler vom Typ Step-Down mit hoher Effizienz (bis zu 96%). Microchip produziert ihn in den gängigen 6-Pin- (SOT23) und 8-Pin-Gehäusen (2x3mm, TDFN). Er kann mit Eingangsspannungen bis zu 50V arbeiten und arbeitet mit einer festen Frequenz. Die Schaltung ist mit einer Reihe wichtiger Funktionen ausgestattet: Schalter auf der Hochseite (high-side switch), Spitzenstromregelung (peak current mode), interne Kompensation, Strombegrenzung, thermischer Schutz. An diesen integrierten Spannungsregler müssen nur wenige externe Komponenten angeschlossen werden, z. B. ein Widerstandsteiler, der zur Einstellung der Ausgangsspannung dient. Der MCP16331 kann bis zu 500mA liefern und die Ausgangsspannung im Bereich von 2V bis 24V DC regeln.

Die beeindruckende Effizienz des Wandlers resultiert aus der Verwendung eines strombegrenzten, schnellen N-Kanal-MOSFETs mit sehr niedrigem Widerstand. Die hohe Schaltfrequenz ermöglicht den Einsatz kleiner Filterelemente, was zu kompakten Abmessungen der gesamten Schaltung führt. Die integrierte Peak Current Mode-Architektur sorgt für eine präzise Regelung der Ausgangsspannung, selbst bei plötzlichen Änderungen an der Eingangsleitung oder auf der Lastseite.

Der EN-Eingang (enable) dient zum Ein- und Ausschalten der Schaltung. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht er nur wenige Mikroampere Strom, was in Anwendungen mit Energiemanagement, Lastverteilung und vor allem in batteriebetriebenen Geräten von Vorteil ist. Der EN-Pin ist intern mit der Versorgungsleitung verbunden, sodass die Verwendung dieses Pins nicht erforderlich ist (er wird in einem festgelegten Zustand sein, der den Wandler einschaltet).

MCP1754-Regler (3,3V und 5V DC-Leitungen)

MCP1754/MCP1754S ist eine Familie von verlustarmen LDO-Spannungsreglern (Low Dropout), die in CMOS-Technologie ausgeführt sind. Diese Schaltungen können Ströme bis zu 150mA liefern und verbrauchen dabei nur 56μA Ruhestrom (typisch). Sie sind daher besonders nützlich in tragbaren Anwendungen, bei denen geringe Leistungsverluste wichtig sind. Der Eingangsspannungsbereich liegt zwischen 3,6V und 16V DC, was diese Komponenten zur idealen Lösung für: Geräte macht, die mit 4 bis 6 Batteriezellen (z. B. Typ AA, AAA usw.) betrieben werden; mobile Anwendungen mit einer Versorgungsspannung von ca. 12V DC, Geräte, die mit einer bis drei Li-Ionen-Zellen betrieben werden.

Zusammenfassung

Dank geringer Abmessungen, niedriger Kosten und hoher Effizienz kann das vorgestellte Projekt eines kompakten BLDC-Motorcontrollers die Grundlage für viele Lösungen bilden. Und obwohl die Schaltung an vielen Stellen modifiziert werden kann, wird sie sich auch in dieser Form in modernen Anwendungen im Bereich der sogenannten E-Mobilität, d. h. elektrische Roller oder Fahrräder, hervorragend bewähren. Darüber hinaus kann sie auch zur Versorgung von BLDC-Motoren in leistungsstarken Drohnen und unbemannten Luftfahrzeugen (UAV) eingesetzt werden.

Abschließend sei nochmals betont, dass alle Microchip-Komponenten, die zur Realisierung der Schaltung erforderlich sind, im TME-Katalog erhältlich sind und direkt aus unseren Lagern geliefert werden.

Die besprochenen Microchip-Komponenten
 
Bei der Auswahl der Komponenten für den Controller sollte bedacht werden, dass der Antrieb und der Controller eines elektrischen Rollers manchmal den härtesten Wetterbedingungen standhalten müssen.
Der Text wurde von Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o. verfasst.
https://www.tme.eu/de/news/about-product/page/65038/microchip-komponenten-und-bldc-motorsteuerung/