Wir werden uns auch einige der verfügbaren Motorsteuerungen (in IC-Bauweise) von großen Anbietern ansehen sowie geeignete Ressourcen für Entwicklung und Prototyping.

Anwendungen für bürstenlose Motoren:
Bürstenlose Gleichstrommotoren haben sich im letzten Jahrzehnt enormer Beliebtheit erfreut. Man könnte sagen, sie sind sogar noch allgegenwärtiger als WLAN; es mag überraschen, wie viele dieser Motoren sich in unseren Häusern, Autos oder Büros befinden. Laut Allied Market Research wird der globale Markt für bürstenlose Gleichstrommotoren bis 2030 ein Volumen von 72,2 Milliarden US-Dollar erreichen, ein Anstieg um 33,2 Milliarden US-Dollar gegenüber 2020 (Abbildung 1). Der Studie „Brushless DC Motors Market Research, 2030“ zufolge wird die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) aller Motoren um 10,3 % steigen, wobei Motoren mit einer Leistung von 750 bis 3000 W ein besonders starkes Wachstum verzeichnen werden.

Abbildung 1: Wachstum bei bürstenlosen Gleichstrommotoren 2020–2030 laut Bericht von Allied Market Research (Quelle: AMR – https://www.alliedmarketresearch.com/brushless-dc-motors-market – mit Genehmigung).
Bürstenlose Gleichstrommotoren finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung: akkubetriebene Werkzeuge, Haushaltsstaubsauger, ferngesteuerte Drohnen, Elektrofahrzeuge usw. Im Industriebereich sind sie weit verbreitet, beispielsweise in Förderbändern und Produktionsrobotern.
Bürstenlose Gleichstrommotoren sind so beliebt, weil sie nur minimalen Wartungsaufwand erfordern. Sie weisen eine hohe Energieeffizienz auf: typischerweise bis zu 92 %, 10–15 Prozentpunkte höher als vergleichbare Bürstenmotoren. Darüber hinaus können diese Motoren aufgrund der fehlenden Reibung mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Der Verzicht auf Bürsten ermöglicht zudem eine kleinere Bauweise, einen leiseren Betrieb und eine geringere elektromagnetische Störung (EMI). All dies macht sie zur idealen Komponente für Antriebsstränge in Elektrofahrzeugen, wo hohes Drehmoment und hohe Drehzahlen unerlässlich sind.
Andererseits sind diese Motoren teurer und erfordern eine komplexere Steuerung. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen diesen Nachteilen und den bereits besprochenen Vorteilen gefunden werden. Abbildung 2 vergleicht die gängigsten Motorkonfigurationen und hebt deren Vor- und Nachteile hervor. Bürstenlose Gleichstrommotoren ähneln Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMS), weisen jedoch geringfügige Unterschiede in ihrer Funktionsweise und dem internen Aufbau der Statorwicklungen auf.

Abbildung 2: Die gebräuchlichsten Arten von Gleichstrommotoren mit ihren Vor- und Nachteilen (Quelle: Qorvo)

Wie funktioniert ein bürstenloser Gleichstrommotor?
Bevor wir uns mit der Funktionsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors oder eines bürstenlosen Motorunabhängigen
Motors (MSIP) befassen, betrachten wir einige grundlegende Begriffe rund um Motoren. Wicklungen: Dies sind Kupferspulen, die auf dem Rotor oder Stator angebracht sind. Sie fungieren als Elektromagnete und erzeugen ein Magnetfeld entsprechend der Stromrichtung. Die drei Wicklungen des bürstenlosen Gleichstrommotors in Abbildung 2 können in Reihe geschaltet werden, um einen Einphasenmotor zu bilden, oder einzeln, um einen Dreiphasenmotor zu erzeugen.
Rotor: Dies ist der rotierende Teil des Motors. Bei einem Bürstenmotor werden die Wicklungen um den Rotor über die Bürsten mit Strom versorgt. Bei einem bürstenlosen Motor befinden sich die Wicklungen auf dem Stator, und Permanentmagnete sind um den Rotor angeordnet. Zwischen Rotor und Stator befindet sich ein kleiner Luftspalt (der sogenannte Luftspalt).
Stator: Dies ist der stationäre Teil der Motorstruktur. In Abbildung 2 sind die Magnetpole des Stators eines Bürstenmotors sichtbar; Bei einem bürstenlosen Modell enthält der Stator die nicht rotierenden Wicklungen.
Kommutierung: Das Verfahren zur Änderung der Stromrichtung in einer Wicklung, um eine Rotation zu erreichen.
Gegen-EMK: Die elektrische Energie, die in einer Wicklung entsteht, wenn sie ein Magnetfeld durchläuft. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren stammt diese Kraft von den Permanentmagneten im Rotor. Die Gegen-EMK kann genutzt werden, um die Rotorposition relativ zu den Statorwicklungen zu erfassen und so den Kommutierungsprozess zu steuern.
Der Hauptunterschied zwischen einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem MSI (Mikro-Stator-Induktionsmotor) liegt in der Form der Statorwicklungen und damit in den Eigenschaften der Gegen-EMK-Wellenform (Abbildung 3).

Abbildung 3: Vergleich der induzierten Gegenspannungen eines bürstenlosen Gleichstrommotors und eines MSIP (Quelle: Qorvo)

Sensoren und Algorithmen zur Motorsteuerung:
Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder einen MSIP (Multi-Simulator-Integrated Power Controller) in Rotation zu versetzen, muss die Kommutierung mittels Steuersignalen an den Statorwicklungen erfolgen. Halbleiter-Motorsteuerungen (oder Treiber) erzeugen Wellenformen, deren Anzahl und Form vom Motortyp und der Phasenanzahl abhängen. Abbildung 3 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der mit einer Trapezwellenform angesteuert wird, im Gegensatz zur Sinuswellenform mit feldorientierter Regelung (FOC) in einem MSIP. In einem dreiphasigen MSIP erfolgt die Kommutierung über drei Sinuswellenformen mit einer Phasenverschiebung von 120°. Ein bürstenloser Gleichstrommotor kann auch mit einer Sinuswellenform angesteuert werden.
Für die korrekte Rotorsteuerung, ob mit FOC oder Trapezregelung, muss die genaue relative Position des Rotors zu den Statorwicklungen bekannt sein. Die Motorsteuerung erhält diese wichtige Information und kann so Drehzahl und Drehmoment des Motors regeln. Die Positionsdaten bestimmen Frequenz, Perioden, Sequenz und Steuersignale.

Es gibt zwei Methoden zur Bestimmung der Rotorposition: mit und ohne Sensor.
Mit Sensor: Hall-Effekt-Sensoren werden neben jeder Statorwicklung (die kleinen blauen Kästchen in Abbildung 2) platziert, um die Änderungen der Magnetfeldpolarität (N zu S und S zu N) während der Rotordrehung zu erfassen. Ein Drehstrommotor benötigt drei Sensoren.
Ohne Sensor: Anstelle von Sensoren wird die Rotorposition über die induzierte Gegenspannung (EMK) bestimmt.
Beide Methoden haben Vor- und Nachteile. Der Einsatz von Hall-Effekt-Sensoren erfordert zusätzliche Komponenten (was die Kosten erhöht) und verlangsamt die Fertigung. Sensorgesteuerte Motoren (sowohl bürstenlose Gleichstrommotoren als auch MSIP-Motoren) bieten jedoch ein exzellentes Drehmoment und einen hohen Wirkungsgrad sowie einen sehr ruhigen Lauf. Die Steuerung eines MSIP-Motors ist typischerweise komplexer, und bei Verwendung einer feldorientierten Regelung (FOC) sind Sensoren erforderlich.
Die sensorlose Methode ist bei bürstenlosen Gleichstrommotoren am weitesten verbreitet. Ihr Vorteil liegt im attraktiven Preis, allerdings werden zur Bestimmung der Rotorposition über die in den Statorwicklungen induzierte Gegenspannung (EMK) Algorithmen benötigt. Eines der Probleme bei der sensorlosen Ansteuerung bürstenloser Gleichstrommotoren tritt beim Anlauf auf. Da im Stillstand keine Gegenspannung vorhanden ist, muss die Rotorposition auf anderem Wege ermittelt werden. Typischerweise werden hochfrequente Steuersignale an jede Phasenwicklung angelegt, und ein Algorithmus berechnet die entsprechende Position.

Abbildung 4: Vereinfachtes Diagramm eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit Hall-Effekt-Sensoren zur Kommutierung und Sequenzierung des Wechselrichterbetriebs (Quelle: Qorvo)

Abbildung 4 zeigt eine einfache Konfiguration eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit Hall-Sensoren (HSW, HSV und HSU). Die Sensoren fungieren im Wesentlichen als digitale Schalter und geben die Polarität des erfassten Magnetfelds an (Nordpol = 1, Südpol = 0). Die Ausgänge der drei Sensoren werden kombiniert, um einen dreibitigen digitalen Logikcode zu erzeugen, der die Position und Drehrichtung des Rotors angibt. Diese Informationen bilden die Grundlage für die Steuersignale der Wechselrichterstufe des dreiphasigen Leistungstransistors. In Anwendungen mit bürstenlosen Gleichstrommotoren geringer Leistung sind die Sensorschnittstelle, der Motortreiber und die Steuertransistoren typischerweise in einem einzigen Treiber-IC integriert. Leistungsstärkere Motoren nutzen üblicherweise den Gate-Ausgang des Treiber-ICs und einen gekühlten Leistungs-MOSFET, um den gewünschten Steuerstrom zu erzielen.
Zur Variation der Motordrehzahl wird die Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt, um das Tastverhältnis – die Frequenz des Ein- und Ausschaltens – zu ändern. Dieses Verfahren ist auch beim Motorstart nützlich, um den Anlaufstrom zu begrenzen.

Bürstenlose Gleichstrommotortreiber und Entwicklungsressourcen.
Abbildung 5 zeigt das Funktionsblockdiagramm des TI DRV10963. Er enthält drei Leistungs-MOSFETs und kann mit Motoren bis zu 5 V/0,5 A zur Ansteuerung von Lüftern in Laptops und Hochleistungsprozessoren verwendet werden. Der DRV10963 schützt vor Überstrom und Kurzschlüssen, indem er Strom und Spannung jedes MOSFETs mit einem multiplexierten Analog-Digital-Wandler (ADC) überwacht. Über einen PWM-Eingang lässt sich die Motordrehzahl regeln. Der FR-Eingang ermöglicht die Umkehr der Drehrichtung beim Anlauf, und der FG-Ausgang liefert Informationen zur Motordrehzahl.

Abbildung 5: Funktionsblockdiagramm des TI DRV10963 für einen sensorlosen, dreiphasigen, bürstenlosen 5-V-Gleichstrommotortreiber (Quelle: TI)

Microchip bietet ein umfassendes Sortiment an integrierten Schaltungen (ICs) für bürstenlose Gleichstrommotoren und Gate-Treiber. Ein Beispiel ist der MCP8063, ein sensorloser, dreiphasiger, bürstenloser Sinusmotortreiber, der speziell für Lüfter und Pumpen in der Automobilindustrie entwickelt wurde.
Leistungsapplikationscontroller Qorvo PAC5532 eignet sich hervorragend für eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeits-Motorsteuerungsanwendungen in der Automobil-, Industrie- und Konsumgüterbranche, beispielsweise für akkubetriebene Werkzeuge, E-Bikes und Hybridfahrzeuge. Der PAC5532 ist für 48–120-V-Gleichstromsysteme geeignet und verfügt über einen 32-Bit-Arm-Cortex-M4F-Kern mit 150 MHz Taktfrequenz sowie konfigurierbare und umfassende Funktionen für Energiemanagement und -steuerung (Abbildung 6).

Abbildung 6: Vereinfachtes Blockdiagramm des Qorvo PAC5532 in batteriebetriebenen Motorsteuerungsanwendungen (Quelle: Qorvo)

Der PAC5532 kann mit dem Qorvo PAC5532EVK1 Evaluierungskit ergänzt werden .

Abbildung 7 (Quelle: Qorvo) zeigt die Hauptkomponenten des Evaluierungskits, darunter den PAC5532 und die Halb-H-Brücken-Wechselrichterkomponenten. Ein GUI-basiertes Software Development Kit (SDK) steht auf der Qorvo-Website zum Download bereit.

Ein weiterer Motorsteuerungs-IC ist die Renesas RA6T2-. Dieser IC verfügt über einen 240-MHz-Arm-Cortex-M33-Mikrocontrollerkern und einen Hardwarebeschleuniger zur Beschleunigung komplexer Motorsteuerungsalgorithmen und zur Ausführung sicherer kryptografischer Funktionen. Er bietet zudem eine umfassende Palette analoger Funktionen, darunter einen 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC), einen 12-Bit-Digital-Analog-Wandler (DAC), programmierbare Verstärker und Hochgeschwindigkeitskomparatoren (Abbildung 8).

Abbildung 8: Funktionsblockdiagramm des Motorsteuerungs-ICs mit RA6T2-Mikrocontroller (Quelle: Renesas)

Das Renesas MCK-RA6T2 Evaluierungskit bietet eine praktische Methode zum Prototyping von bürstenlosen Motorsteuerungen. Es besteht aus drei Steckplatinen (Wechselrichter, Mikrocontroller und Kommunikationsschnittstelle), einem kleinen bürstenlosen Gleichstrommotor und allen benötigten Kabeln. Die Funktionsarchitektur des MCK-RA6T2 ist in Abbildung 9 dargestellt.

Bild 9: Funktionsblockdiagramm des Evaluierungskits für bürstenlose Motoren MCK-RA6T2 von Renesas (Quelle: Renesas)

Dieersten Schritte in der Steuerung bürstenloser Gleichstrommotoren.
In diesem kurzen Artikel haben wir die Funktionsweise bürstenloser Gleichstrommotoren kennengelernt, ihre Verbreitung untersucht und einige Anwendungsfälle besprochen. Die in diesem Abschnitt beschriebenen Halbleiterlösungen bieten ein praktisches, zuverlässiges und gut dokumentiertes Werkzeug für den Einstieg in die Entwicklung bürstenloser Gleichstrommotoren (BDC) oder bürstenloser iMP-Motoren (BIM).

Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics