Da BLDC-Motoren einen großen Anteil am weltweiten Stromverbrauch ausmachen, ist ein effizienter Betrieb unerlässlich. Die elektronische Kommutierung von BLDC-Motoren ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen. Sensorbasierte Systeme bieten zwar eine hocheffektive Steuerung von BLDC-Motoren, sind aber nicht immer geeignet. Oftmals verhindern Platzmangel oder Budgetbeschränkungen diesen Ansatz. Stattdessen wird die sensorlose Steuerung durch Messung der induzierten elektromotorischen Kraft (EMK) realisiert.
Die feldorientierte Regelung (FOC) ermöglicht die Erzeugung eines gleichmäßig rotierenden Stators mithilfe eines Magnetfelds. Dieses Verfahren minimiert im Allgemeinen das Drehmomentwelligkeit, wodurch unerwünschte mechanische Spannungen vermieden und nur sehr geringe Geräuschentwicklung erzeugt werden.
Der FOC besteht aus vier grundlegenden Schritten. Diese sind wie folgt:
Messung des tatsächlichen Stroms durch die Statorwicklungen.
Erzeugung eines Fehlersignals durch Vergleich des gemessenen Stroms mit dem Sollstrom.
Verstärkung des Fehlersignals zur Erzeugung einer Korrekturspannung.
Modulation der Korrekturspannung an den Motorklemmen.
Dank dieses kontinuierlich aktualisierten Regelkreises läuft der Motor reibungslos. Es ist jedoch zu beachten, dass die genaue Bestimmung der Rotorposition ohne Sensortechnik (z. B. Hall-Sensoren) schwierig sein kann, insbesondere bei niedrigen Rotordrehzahlen.
Der Betrieb bei diesen niedrigen Drehzahlen beeinträchtigt die Fähigkeit von FOC-Algorithmen, die notwendigen Schaltvorgänge zu berechnen. Kompensationsversuche führen zum Verlust vieler ursprünglicher Vorteile der FOC-Technologie, da die Anwendung hochfrequenter Signale Drehmomentwelligkeit verursacht und dadurch akustisches Rauschen und Vibrationen im System erzeugt. Dies führt zu Effizienzverlusten. Darüber hinaus kann das Vorhandensein dieser hochfrequenten Signale auch aus EMV-Sicht problematisch sein.
Die Einführung des M4K-Mikrocontrollers von Toshiba stellt einen bedeutenden Fortschritt in der effizienten Steuerung von BLDC-Motoren dar. Dieses Gerät integriert die firmeneigene Advanced Vector Engine Plus (A-VE+) IP-Technologie, die alle notwendigen mathematischen Berechnungen für eine hocheffiziente sensorlose Front-of-Line-Steuerung (FOC) durchführt.
Eine weitere Innovation ist die eingesetzte Advanced Programmable Motor Driver (A-PMD)-Technologie. A-PMD ermöglicht die Erzeugung der PWM-Ausgänge des Motors mithilfe individueller Pulsweitenmodulations-Träger (PWM), die jeder Motorphase zugeordnet sind. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, bei niedrigen Motordrehzahlen hochfrequente Signale anzulegen (wodurch die bereits erwähnten Vibrations- und Geräuschprobleme beseitigt werden). Die A-VE+-fähige M4K-Lösung benötigt nach der Erstkonfiguration zudem nur einen sehr geringen Rechenaufwand.
Toshiba hat ein technisches Dokument veröffentlicht, das diesen neuesten FOC-Ansatz detailliert beschreibt. Es kann hier heruntergeladen werden.
