In von bürstenlosen Gleichstrommotoren angetriebenen Systemen besteht die Funktion der Steuerelektronik, also des Verstärkers, darin, die Versorgungsspannung oder die Stromstärke oder beides zu ändern, um die gewünschte Bewegung des Motors zu erzielen. Es gibt verschiedene Arten von Verstärkern, die hierfür zur Auswahl stehen.
Ein linearer Verstärker passt die an den Motor gelieferte Leistung an, indem Spannung oder Stromstärke linear verändert werden. Er leitet die nicht an den Motor gelieferte Leistung ab, weshalb ein großer Kühlkörper notwendig ist, um die durch diese Energie entstehende Wärme abzuführen. Aus diesem Grund ist der Verstärker größer und kann nur mit Mühe in die Anwendung integriert werden.
Im Gegensatz dazu moduliert ein Chopperverstärker die Spannung (und Stromstärke), indem Leistungstransistoren ein- und ausgeschaltet werden. Der Hauptvorteil dieser Verstärker besteht darin, dass Strom gespart wird, wenn die Transistoren ausgeschaltet sind. Auf diese Weise wird die Batterielebensdauer der Anwendung verlängert, es entsteht weniger Wärme und die notwendige Elektronik kann kleiner gehalten werden.
Meist nutzen Chopperverstärker Pulsweitenmodulation (PWM), eine Methode, bei der mithilfe der Veränderung des Arbeitszyklus bei einer festgelegten Frequenz die Spannung oder die Stromstärke innerhalb eines gewünschten Zielsollwerts angepasst wird.
Einflüsse von Welligkeitsstrom
Die Schaltfrequenz ist ein fester Kennwert, weshalb es Elektronikingenieuren leicht fällt, akustische Störgeräusche und elektromagnetisches Rauschen zu beheben. Zur Vorbeugung unerwarteter Leistungsprobleme sollten Sie sich bei Projekten dieser Art jedoch auch stets weitere grundlegende physikalische Phänomene bewusst machen. Insbesondere ist zu beachten, dass beim Ein- und Ausschalten der Transistoren die Stromstärke bei jedem Zyklus steigt und fällt, was problematisch sein kann.
Während die durchschnittliche, vom Arbeitszyklus der Schaltelektronik bestimmte Spannung das Drehmoment des Motors definiert, erzeugt der Welligkeitsstrom zusätzliche Energieverluste (Wärme) und kann sich massiv auf den Effektivstrom auswirken, ohne dabei das Drehmoment zu erhöhen. Da im Gegensatz zu Gleichstrommotoren mit Bürsten hier keine Bürsten vorliegen, beeinträchtigt der Welligkeitsstrom die Standzeit des bürstenlosen Gleichstrommotors nicht. Allerdings wird Energie verschwendet, was möglicherweise die Batterielebensdauer tragbarer Anwendungen gefährdet und einen Kühlkörper notwendig macht, durch den Größe und Gewicht der Anwendung steigen.
Der Welligkeitsstrom verursacht zudem Eisenverluste, wodurch Wirbelstromflüsse entstehen, die proportional zum Quadrat der Motordrehzahl und zum Quadrat des Motorstroms sind. Eisenverluste wirken sich direkt auf die Motorleistung aus und es lässt sich aufgrund der Quadratbeziehung leicht nachvollziehen, wie ein hoher Welligkeitsstrom schnell zu erheblichen Eisenverlusten führen kann.
Reduzieren des Welligkeitsstroms
Es ist daher wichtig, die Stromwelligkeit so gering wie möglich zu halten, was mit einer Reihe von Methoden erreicht werden kann.
Eine Lösung ist das Reduzieren oder Anpassen der Versorgungsspannung, da die Stromwelligkeit direkt proportional zu dieser Spannung ist. Hohe Spannung ist nützlich, wenn die Anwendung hohe Drehzahl oder hohe Stromstärke erfordert. Wenn allerdings keine Extremwerte notwendig sind, wirkt sich eine niedrigere Versorgungsspannung vorteilhaft auf das Reduzieren der Stromwelligkeit aus.
Außerdem verlängert der Betrieb mit dem gleichen Lastpunkt bei niedrigerer Versorgungsspannung den Arbeitszyklus, was die Stromwelligkeit noch weiter reduziert. Allgemein ist es wichtig, den Arbeitszyklus der PWM so weit wie möglich von 50 Prozent entfernt zu halten, da dies dem Schlimmstfall entspräche.
Die zweite Option ist das Steigern der PWM-Frequenz. Bei einem kürzeren Arbeitszyklus hat die Stromstärke weniger Zeit, anzusteigen, was weniger Welligkeit bedeutet. Portescap empfiehlt, für bürstenlose Gleichstrommotoren PWM-Frequenzen von mindestens 50 kHz zu verwenden. PWM-Frequenzen über 80 kHz sind insbesondere bei Motoren mit sehr kleiner elektrischer Zeitkonstante von Vorteil.
Eine weitere Option ist das Steigern der Induktivität durch Hinzufügen externer Induktivitätskomponenten, um das Ansteigen und Fallen der Stromstärke zu verlangsamen und auf diese Weise die Stromwelligkeit zu senken. Während das Hinzufügen von Induktivitäten, beispielsweise mehrerer Zehntausend µH, theoretisch eine gute Lösung darstellt, steht jedoch möglicherweise in der Praxis nicht ausreichend Platz für die Integration dieser Komponenten zur Verfügung, insbesondere bei Anwendungen mit begrenztem Raum. Deshalb ist es für gewöhnlich besser, zuerst die beiden anderen Optionen in Betracht zu ziehen.
PMW als häufigste Methode
PWM bietet gegenüber anderen Arten der Steuerung zahlreiche Vorteile, weshalb es sich hierbei um die am häufigsten verwendete Lösung für den Antrieb von bürstenlosen Gleichstrommotoren handelt. Die Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit von elektronischen Komponenten vereinfacht die Einrichtung einer angemessenen PWM-Spannung und die Verwendung einer hohen PWM-Frequenz zur Reduzierung von Welligkeit, ohne zusätzliche Induktivitäten erforderlich zu machen.
Auf diese Weise wird durch Energieverluste abgeleitete Energie minimiert, was wiederum die Batterielebensdauer verlängert und es Ingenieuren ermöglicht, die Größe und das Gewicht der Elektronik zu verringern. Dies ist beispielsweise bei tragbaren Geräten mit integrierter Elektronik ein wichtiger Faktor.
Wie immer zahlt es sich aus, bereits in den frühen Phasen der Entwicklung einen erfahrenen Anbieter zu Rate zu ziehen. Die Ingenieure von Portescap helfen Ihnen auch bei den anspruchsvollsten Anwendungen gerne dabei, die für einen bürstenlosen Gleichstrommotor geeignete Elektronik zu definieren.
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