Grundlagen elektrische Antriebe

Kapitel 13: Ansteuerung und Systemverhalten BLDC-Motor Prof. Dr.-Ing. A. Kleimaier

Grundlagen elektrische Antriebe

Grundverständnis elektrischer Antrieb

 Gleichstrommaschine

 Steuerung & Regelung

 Gleichrichter, DC-Steller

Drehfeldmaschinen:

 Drehfeldwicklung

 Asynchronmaschine

 Wechselrichtertechnik Kapitel 1: Einführung – Beispiele, Anwendungsgebiete

Kapitel 2: Grundlagen Magnetischer Kreis

3: Aufbau und Betriebsverhalten der Gleichstrommaschine 4: Gesteuerter Betrieb der Gleichstrommaschine

4a: Leistungselektronik für Gleichstrommaschinen

5: Drehzahlgeregelter Gleichstromantrieb: Systemanalyse 6: Elektrofahrzeuge

Kapitel 7: Grundlagen Drehfeldmaschinen

8: Aufbau und Betriebsverhalten der Asynchronmaschine 9: Gesteuerter Betrieb der Asynchronmaschine

10: Betriebsarten und drehzahlvariabler Betrieb der ASM 10a: Leistungselektronik für Drehfeldmaschinen

Kapitel 11: Aufbau und Betriebsverhalten Synchronmaschine 12: Aktuelle Entwicklung: neue Maschinenvarianten 13: Ansteuerung und Systemverhalten BLDC-Motor

Synchronmaschine:

 fremderregte SM

 PMSM, MDM, BLDC-Motor

E l e k t r i s c h e A n t r i e b e

Inhalt Kapitel 13: Ansteuerung und Systemverhalten BLDC-Motor

13.1 Zuordnung und Beispiele 13.2 Blockkommutierung

13.3 Ersatzschaltbild

13.4 Drehzahlsteuerung durch PWM 13.5 Systembetrachtung

————

Vorschau auf die Mastervorlesung:

13.6 Sinuskommutierung

Steuer- und Regelverfahren

sinusförmige Ströme

Hallsonden und Steuerung mit Kommutierungslogik

"BLDC-Motor"

Pollagefassung / Resolver mit feldorientierter Vektorregelung

"PMSM mit Stromregelung"

permanenterregte Synchronmaschine

Sinuskommutierung:

PWM bildet sinusförmige Sollwertspannung nach

Blockkommutierung:

Spannungszeiger wird in 60°- Schritten geschaltet

blockförmige Ströme

3

PMSM 3

Wechselrichter

Mastervorlesung Elekt. Antriebe

GeA Kapitel 13

Einsatzgebiete

Leistung: Kleinantriebe, typ. kleiner 2kW

Sonst: MDM oder PMSM mit feldorientierter Vektorregelung

Allgemein: Lüfter, Gebläse, kleine Pumpen, teilw. auch schon Elektrowerkzeuge Modellbau: Drohnen, Elektroflieger, RC-Cars

Luftfahrt: Drohnen, Multikopter, Elektroflieger

Traktion: Pedelecs und E-Bikes mit Nabenantrieb (V/H) oder Mittelmotor (am Tretlager) System: MDM mit "Motorcontroller" und Hallgebern (Elektronische Kommutierung)

Alternativ auch ohne Hallgeber (EMK-basierte Winkelbestimmung) bei Propeller-/Lüfterantrieben

Abgrenzung: - Schrittmotoren sind gesteuerte, sehr feinpolige Synchronmotoren

- Servomotoren sind PMSMs mit Vektorregelung und überlagertem Drehzahl- und Lageregelkreis

1 3 . 1 Z u o r d n u n g u n d B e i s p i e l e

BLDC-Motorprüfaufbau

Motorcontroller:

 Wechselrichter (B6-Brücke)

 µC mit Code für Elektronische Kommutierung

Klein-PMSM (Flug-Modellbau)

 Außenläufer

 Einzelzahnwicklung

Kupplung Gegenmaschine (GM)

Stator mit 12 Zähnen (Kapitel 12 Seite 23)

Stator, Blechpaket

Rotor mit 14 Magneten NdFeB, verkupfert

Axiallüfter 12V 6W

Bilder: A. Kleimaier

Lüfter

in unversehrtem Zustand

Lüfterrad

mit Außenläufer-Magnetring

Stator

mit Ansteuerplatine

kunststoffgebundener Ferritmagnetring (schwach, aber billig) vierpolig magnetisiert:

S N N S

Stator: einsträngige Maschine, p = 2. Unsymmetrie an der Zahn- flanke gewährleistet Anlauf in korrekter Drehrichtung

1 3 . 1 Z u o r d n u n g u n d B e i s p i e l e

Platine: kommt nur mit wenigen Bauelementen aus: Hallsonde, 2 Transistoren, Kondensator, etc.

EMK und Stromkurvenverlauf

120° 60° 120° 60°

360° = 1 elektr. Periode Die Maschine soll ein konstantes

Drehmoment liefern und optimal ausgenutzt werden

 Idealisierte Betrachtung:

die EMK (Polradspannung) ist trapezförmig

 Anforderungen an den Stromverlauf:

 in Phase mit der EMK

 ähnliche Kurvenform

 Stromsumme = 0

 Blockförmige Ströme mit 120°-Blöcken und 60° Freilauf

t

t

t EMK: U

(t)

Strom: I (t)

EMK: U

(t) Strom: I (t)

EMK: U

(t) Strom: I (t)

Phase 1

Phase 2

Phase 3

120°

Zur Drehmomentbildung

1 3 . 2 B l o c k k o m m u t i e r u n g

Phase 1

Phase 2

Phase 3

t

t

t Innere Leistung in Phase1 (120°-Block):

P

= M



= U

 I

Inneres Drehmoment Phase1 (120°-Block):

M

=   I

= p   I

Drehmoment Gesamtmaschine:

M = M + M + M

= 2 M

= 2 p  Î

= —   Î

U



t U



U

(t) I (t)

M (t)

U

(t) I (t)

M (t)

U

(t) I (t)

M (t)

Herleitung Drehmoment

Gesamt- maschine Û



Û

f

p





EMK-Konstante

Û_P Î_S

Û_P Î_S

Û_P Î_S

M = M + M + M

120°

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

HS1

LS3

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

1 3 . 2 B l o c k k o m m u t i e r u n g

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

LS3

HS2

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

HS2

LS1

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

1 3 . 2 B l o c k k o m m u t i e r u n g

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

HS3

LS1

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

HS3

LS2

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

1 3 . 2 B l o c k k o m m u t i e r u n g

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

I

I = - I

HS1

LS2

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Strompfade

DC+

DC-

Phase1 Phase2 Phase3

Wechselrichter mit BLDC-Motor: Kommutierungsvorgang

t

t

t U

I (t)

I (t)

I (t)

I

LS3

 LS2 auschalten I

Strom kommutiert

DC+

DC-

I

HS1

Phase1 Phase2 Phase3

Genauere Analyse

U

= c



 U = U

I

U = L

 dI / dt

U = R

 I

W echselrichter

120°

60° 60°

U

I

Schalterstellung in Halbbrücke 1: LS ein beide aus HS ein beide aus LS ein

U = U =

U +

U

Fazit:

 im 120°-Stromblock: Verhalten entspricht Gleichstrommaschine

 Kommutierung nicht beliebig schnell: I weicht von der Idealkurve ab

1 3 . 3 E r s a t z s c h a l t b i l d

DC+

DC-

"EMK"

Drehzahlsteuerung

U

= c



 U = U

I

U = L

 dI / dt

U = R

 I

W echselrichter

U

U

I

Schalterstellung in Halbbrücke 1: LS ein beide aus PWM: HS ein/aus beide aus LS ein

Mittelwert

Drehzahlsteuerung bzw. Stromregelung:

 Gleichstrommaschine: Tiefsetzsteller

 BLDC: Pulsen mit dem Wechselrichter

DC+

DC-

"EMK"

Beispiel 1: Oszillogramm Kleinmotor

Bild des Motors: Kapitel 12, "Beispiel Flugmodellbau"

Spannung:

Phase 1 Phase 2 Phase 3

Strom:

Phase 1

inaktive Phase:

EMK sichtbar

120° 60°

aktive Phase:

Spannungsstellung durch PWM

1 3 . 4 D r e h z a h l s t e u e r u n g d u r c h P W M

Spannungen gegen Zwischenkreismasse DC- gemessen

Stromripple:

entsteht durch Pulsen (PWM)

welliger Stromverlauf: EMK ist hier nicht trapezförmig, sondern sinusförmig.

Konsequenz: ebenso welliges Drehmoment

Beispiel 2: Oszilogramme typischer Pulsmuster

Phase 1:

Spannung Strom

Phase 2:

Spannung

Phase 3:

Spannung

Mittlere Drehzahl:

Spannungsstellung durch Pulsen

Maximale Drehzahl:

Blocktakt (kein Pulsen), max. Spannung

Positiver Stromblock:

Phase 1 liegt auf DC+,

negativer Stromblock von Phase 1:

Phase 1 pulst dauerhaft zwischen DC+ und DC-,

zusätzliche Spannungspulse, um steile Stromflanken zu erzeugen

1 3 . 5 S y s t e m b e t r a c h t u n g

Ansteuerlogik

Sensorsignale Hallsonden Ansteuersignale Geschaltete Spannungen

HS LS

HS LS HS LS

Phase 1

Phase 2

Phase 3

jeweils 120° Versatz Unterscheidung HS/LS-Schalter Idealzustand: Stromkurvenform

U

Ansteuerlogik

 Kommutierung

 Spannungsstellung (PWM)

 Drehrichtung (Phasefolge) Aussteuergrad

Sensorik:

Hallsonden

Sensorsignale Schaltbefehle

Klein- Maschine Wechselrichter

Energie Energie Energie

Schnittstelle:

Zwischenkreis

Schnittstelle:

Welle

Schnittstelle:

Steuerung

Mechatronisches Gesamtsystem "BLDC-Motor"

PMSM

3

EMK und Stromkurvenverlauf

120°

t

t

t

240°

1 3 . 6 S i n u s k o m m u t i e r u n g

EMK: U

(t) Strom: I (t)

EMK: U

(t) Strom: I (t)

EMK: U

(t) Strom: I (t)

Phase 1

Phase 2

Phase 3 Die Maschine soll ein konstantes

Drehmoment liefern und optimal ausgenutzt werden

 Idealisierte Betrachtung:

die EMK (Polradspannung) ist sinusförmig

 Anforderungen an den Stromverlauf:

 in Phase mit der EMK

 ähnliche Kurvenform

 Stromsumme = 0

 sinusförmige Ströme

Herleitung Drehmoment Innere Leistung in Phase1:

P (t)

= M

(t) 

= U (t)

 I (t)

Inneres Drehmoment Phase1:

M (t)

=   I (t)

= p   I (t)

Mittelwert der sin²-Funktion von M (t):

M =   

Î

Drehmoment Gesamtmaschine:

M = M + M + M

= 3   Î

=    Î

=    I

Zur Drehmomentbildung

t

t

t U (t)



p 2

U (t)



Û



p 2

Û



Phase 1

Phase 2

Phase 3 U

(t) I (t)

M (t)

U

(t) I (t)

M (t)

U

(t) I (t)

M (t)

U

f

3p 2

Û

f

3p

4



siehe Kapitel 12 Seite 21

Û_P Î_S

Û_P Î_S

Û_P Î_S

M = M + M + M

Gesamt-

maschine

U

I

W echselrichter

U

= j c

U = jL

 I

U = R

 I

W echselrichter

Spannung mit dem Wechselrichter so einprägen, dass der Strom in Phase mit der EMK liegt

EMK = U (t)

I (t)

U (t)

Fazit:

 Amplitude und Phase von U

müssen bestimmt werden

 dazu braucht man eine Feldorientierte Regelung (FOR)

 auch: "Vektorregelung", da die Information 2-dimensional ist

1 3 . 6 S i n u s k o m m u t i e r u n g

Was muss getan werden, damit die Maschine das gewünschte Drehmoment erzeugt?

hier: U

und I

sind Raumzeiger

Ampl

Phase

Rotorfluss

d-Achse q-Achse



U (EMK)

im

re U

I = jI

U

 U

I

W echselrichter

U

= j c

U = jL

 I

U = R

 I

W echselrichter

Andere Darstellung desselben Sachverhaltes: Zeigerdiagramm für die Zeitverläufe

U

 Rotorflussorientierung / Pollage:

Koordinatensystem orientiert sich am Rotorfluss 

(d-Achse)

 hier: reine Querstromeinprägung, Stromzeiger parallel EMK-Zeiger

 in diesem Falle kann man mit I

direkt das Drehmoment einstellen

 Analogie: bei der GM ist M = k I

hier: U

und I

sind Raumzeiger

Phase Zeigerlänge:

Ampl

Rotorfluss

U

Master Elektrische Antriebe: Mechatronisches Gesamtsystem "stromgeregelte PMSM"

FOR Feldorientierte Regelung

 Raumzeigertransformation

 Vektorregelung

 Sinus-Dreieckmodulation

Sollwerte für

I (Drehmoment) undq

I (Feldschwächung)d

Sensorik:

Pollagerfassung Stromwandler Schaltbefehle

z.B. Servomotor, Traktionsmotor Wechselrichter

Energie Energie Energie

Schnittstelle:

Zwischenkreis

Schnittstelle:

Welle

Schnittstelle:

Steuerung

1 3 . 6 S i n u s k o m m u t i e r u n g

PMSM 3

Pollagewinkel 

Strangstrom I / I

Master Elektrische Antriebe: FOR (Feldorientierte) Vektorregelung

PMSM 3

3 dq 2



-

-

I

I

dq- Wandler

3/2- Wandler

Pollagewinkel 

I

I

I

I

U

U

Regel-

differenz

Strom-

regler Vor- PWM

steuerung

U

U

U



Sollwerte für PWM

Schalt- befehle (Pulsmuster) K

P KP-Wandler

Ampl

Phase

Sollwert- tabellen

f

Strangstrom I

Strangstrom I

3 S

S

S

U V W ZK+ ZK- Zwischenkreis

Dreh- moment

Feld- schwächung

I wird nicht benötigt,_W da I + I + I = 0_{U V W}

Raumzeiger-

transformation Stromwandler

Pollageerfassung