Embedded-Systeme & Mikrocontroller Einphasen-BLDC-Motoren ansteuern

In Antrieben mit geringer Motorleistung, bei denen die Kosten eine wichtigere Rolle spielen als die Komplexität und das Drehmoment, ist ein Einphasen-BLDC-Motor eine gute Alternative zu einem Dreiphasen-Motor. Dieser Motortyp ist aufgrund seines einfachen Aufbaus kostengünstig und einfacher herzustellen. Er benötigt nur einen Positionssensor und wenige Treiberschalter zur Steuerung und Erregung der Motorwicklung. Die Abwägung zwischen Motor und Ansteuerung ist daher äußerst vorteilhaft. Um die Kosten niedrig zu halten, ist ein kostengünstiger Motortreiber erforderlich. Der hier beschriebene Treiberschaltkreis nutzt zwei Rückkopplungsschleifen. Die erste, innere Schleife, ist für die Kommutierung verantwortlich; die zweite, äußere Schleife, regelt die Drehzahl. Die Motordrehzahl wird als externe Analogspannung aufbereitet, und die Fehlererkennung deckt Überstrom- und Übertemperaturbedingungen ab.

Aufgrund seiner geringen Anschlusszahl und der integrierten Peripherie wurde der Einphasen-Treiber auf Basis von Microchips 8-Bit-Mikrocontroller PIC16F1613 ausgewählt. Diese steuert die Treiberschalter, misst die Drehzahl, sagt die Rotorposition voraus und führt die Fehlererkennung durch. Zum Einsatz kommt folgende Peripherie: komplementärer Waveform-Generator (CWG); Signal Measurement Timer (SMT); A/D-Wandler (ADC); D/A-Wandler (DAC); Capture Compare PWM (CCP); Festspannungsreferenz (FVR); Timer; Komparator und Temperaturanzeige. Diese Peripheriekomponenten sind intern per Firmware miteinander verbunden, was die Zahl der externen Anschlüsse verringert.

Die Vollbrücke erregt die Motorwicklung und wird über den CWG-Ausgang angesteuert. Ein Hall-Sensor bestimmt die Rotorposition. Strom, der durch die Wicklung fließt, wird durch den Messwiderstand Rshunt in eine Spannung umgewandelt, was dem Überstromschutz dient. Die Drehzahl wird über eine externe Analogspannung erfasst. Die Motornennspannung beträgt 5 V; die Drehzahl 2400 U/min. Die Versorgungsspannung des Treibers beträgt 9 V.

Die Drehzahlreferenz kann ein beliebiger Analogeingang sein. Das ADC-Modul des Mikrocontrollers bietet 10 Bit Auflösung und bis zu 8 Kanäle. Damit eignet es sich für unterschiedliche Analogeingänge. Daraus werden die Drehzahlreferenz und der anfängliche PWM-Tastgrad abgeleitet, der wiederum die Motordrehzahl auf Basis der Drehzahlreferenz initialisiert. Der anfängliche Tastgrad kann über das Ergebnis des Proportional-Integral-(PI-)Controllers erhöht oder verringert werden. Der neue Wert wird dann in die CCP geladen. Dieser PWM-Ausgang wird als anfängliche Quelle des CWG genutzt – zur Steuerung der Modulation der Low-Side-Schalter des Vollbrückentreibers und damit auch der Motordrehzahl.

Innere Regelschleife

Die innere Rückkopplungsschleife ist für die Kommutierung verantwortlich. Der CWG-Ausgang steuert die Erregung der Statorwicklung und hängt vom Zustand des Hall-Sensorausgangs ab. Dieser wird durch den Komparator mit einer FVR verglichen. Die Komparator-Hysterese ist aktiv, um Störungen im Sensorausgang zu ignorieren. Der Ausgang des Komparators schaltet zwischen Vorwärts- und Rückwärts-Vollbrückenmodus hin und her, um die Drehrichtung im oder entgegen dem Uhrzeigersinn zu erzeugen. Der CWG-Ausgang wird an die Eingänge der Vollbrückenschalter gelegt. Um einen elektrischen Zyklus zu erzeugen, muss eine Vorwärts-Rückwärts-Kombination ausgeführt werden. Eine mechanische Umdrehung des Motors erfordert zwei elektrische Zyklen, aus diesem Grund sind zwei Kombinationen erforderlich, um eine ganze Umdrehung im Uhrzeigersinn zu vervollständigen.

Vollbrücke

Die Vollbrücke besteht aus zwei p-Kanal-MOSFETs als High-Side-Schalter und zwei n-Kanal-MOSFETs als Low-Side-Schalter. Der Vorteil des p-Kanal-Transistors ist die einfache Gate-Ansteuerung des High-Side-Schalter, was die Kosten für den Gate-Treiberschaltkreis auf der High-Side verringert.

Auch wenn die High- und Low-Side-Schalter zur gleichen Zeit eingeschaltet werden können (Cross Conduction) sollte dieses Schalten vermieden werden, da es hohe Stromspitzen verursachen und die Treiberbausteine beschädigen kann. Um dies zu verhindern, kann mit den Zählerregistern des CWG eine Totband-Verzögerung eingeführt werden. Damit stehen nicht überlappende Ausgangssignale bereit, die die gleichzeitige Durchleitung der High- und Low-Side stoppen.

Ideal wäre, wenn die n- und p-Kanal-MOSFETs den gleichen Durchlasswiderstand (RDSon) und die gleiche Gate-Ladung (QG) aufwiesen, um optimales Schalten zu ermöglichen. Ein komplementäres MOSFET-Paar würde dabei helfen, diese Parameter abzustimmen, was aber in der Realität nicht möglich ist, da die Bausteine einen unterschiedlich aufgebaut sind. Die Chipgröße des p-Kanal-MOSFETs müsste dann zwei- bis dreimal so groß wie die des n-Kanal-Bausteins sein, um RDSon anzugleichen. Je größer aber der Chip, desto größer die Auswirkung auf QG. Bei der Auswahl der MOSFETs kommt es also auf die Entscheidung an, ob RDSon oder QG den größten Einfluss auf die Schaltleistung hat. Dementsprechend sollte die Auswahl erfolgen.

Fehlererkennung

Wird die maximale Drehmomentbelastung des Motors überschritten, kann dies zu einem Stillstand führen und die Wicklung ist dem vollen Strom ausgesetzt. Um den Motor zu schützen, ist eine Fehlererkennung für Überstrom und Stillstand erforderlich.

Ein Überstromschutz erfolgt mithilfe von Rshunt im Treiberschaltkreis. Der Widerstand stellt eine Spannung bereit, die dem Stromfluss in der Motorwicklung entspricht. Der Spannungsabfall über dem Widerstand verändert sich linear in Bezug zum Motorstrom. Diese Spannung wird an den invertierenden Eingang des Komparators angelegt und mit einer Referenzspannung verglichen, die auf dem Produkt des Rshunt-Wertes und des maximal zulässigen Stillstandstroms des Motors basiert. Die Referenzspannung wird über FVR bereitgestellt und kann durch den DAC weiter eingegrenzt werden. Damit kommt eine sehr kleine Referenzspannung zum Einsatz, die den Widerstand und somit die Verlustleistung von Rshunt gering hält. Steigt die Rshunt-Spannung über den Referenzwert, löst der Komparatorausgang die automatische Abschaltfunktion des CWG aus. Dessen Ausgang bleibt dann inaktiv solange der Fehler vorherrscht.

Übertemperaturschutz erfolgt durch den integrierten Temperatursensor, der Temperaturen zwischen -40 und 85 °C misst. Der interne Schaltkreis dieses Sensors erzeugt eine variable Spannung in Bezug zur Temperatur. Diese Spannung wird durch einen ADC digitalisiert. Für eine genauere Temperaturmessung kann eine Einzelpunkt-Kalibrierung implementiert werden.

Äußere Regelschleife

Die äußere Regelschleife steuert die Motordrehzahl unter verschiedenen Bedingungen wie Laständerungen, Störungen und Temperaturdrift. Die Drehzahl wird über den SMT gemessen. Dabei handelt es sich um einen 24-Bit-Zähler/-Timer mit Takt- und Gating-Logik, die sich für eine Messung verschiedener digitaler Signalparameter konfigurieren lässt: Pulsweite, Frequenz, Tastgrad und den Zeitunterschied zwischen den Flanken zweier Eingangssignale.

Die Messung der Motordrehzahl erfolgt über die Periode des SMT und den Tastgrad-Erfassungsmodus. In diesem Modus wird entweder der Tastgrad oder die Periode des SMT-Signals in Bezug zum SMT-Takt erfasst. Der SMT zählt die Anzahl der SMT-Takte während einer Motorumdrehung und speichert das Ergebnis im Captured-Period-Register. Mithilfe dieses Registers lässt sich die Motordrehzahl bestimmen.

Wird der Drehzahl-Sollwert mit der tatsächlichen Drehzahl verglichen, ergibt sich ein positiver oder negativer Fehler – je nachdem ob die tatsächliche Drehzahl höher oder niedriger als der eingestellte Referenzwert ist. Dieser Fehler wird an den PI-Controller geleitet und dessen Firmware-Algorithmus berechnet einen Wert, der den Drehzahlunterschied ausgleicht. Dieser Ausgleichswert wird zum anfänglichen PWM-Tastgrad hinzugefügt oder davon abgezogen, um einen neuen Wert zu bilden.

Fazit

In kostengünstigen Motorsteuerungen kann ein effizienter und flexibler Mikrocontroller erhebliche Auswirkungen haben. Der Wirkungsgrad lässt sich mithilfe der integrierten Peripherie messen, um so die Regelung zu optimieren. Die geringe Anschlusszahl, der Speicher und die kleine Baugröße tragen dazu bei. Hinzu kommen eine einfache Anwendung und eine schnellere Markteinführung, wenn spezielle Designvarianten erforderlich sind. Dieser Beitrag hat gezeigt, wie ein kostengünstiger Mikrocontroller diese Anforderungen erfüllt und wie der Treiber die gewünschte Drehzahlreferenz einstellt – und zwar in Bezug auf eine Vorhersage der Rotorposition, die Implementierung eines Regelalgorithmus, die Messung der tatsächlichen Drehzahl und die Integration einer Fehlererkennung.