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Das Design und die Funktionalität eines DC-Motorcontrollers hängen von den Eigenschaften des Motors und der von ihm gespeisten Elektronik ab. Am Beispiel eines bürstenbehafteten DC-Motorcontrollers betrachten wir dessen Funktionsprinzip und Schaltungsdesign.

Andrey Solovev, CTO und Mitbegründer | Integra-Quellen

Ein Motorcontroller kann eine wesentliche Rolle bei der Leistung von Elektromotoren spielen, einschließlich solcher, die mit Gleichstrom (DC) betrieben werden. Gleichstrommotoren kamen erstmals im 19. Jahrhundert zum Einsatz und sind seitdem weit verbreitet. Verschiedene Arten von Gleichstrommotoren können in ihren Steuersystemen sowohl Ähnlichkeiten als auch Unterschiede aufweisen. Dieser Artikel gibt einen Überblick über DC-Motortypen und Anwendungen und konzentriert sich auf bürstenbehaftete DC-Motoren und deren Controller.

Zu den DC-Motortypen gehören bürstenbehaftete, bürstenlose, Schritt- und Servomotoren. Der letzte Typ ist eine Gleichstrommotorkonfiguration oder ein Mechanismus, der für die Winkelpositionierung verwendet wird. Die Konstruktion von Gleichstrommotoren besteht aus einem Rotor (oder Anker), der sich unter dem Magnetfeld dreht, und einem Stator mit entweder Wicklungen oder Permanentmagneten. Um kontinuierlich zu laufen, müssen Gleichstrommotoren ein variables Magnetfeld erzeugen. 

Bürsten-DC-Motoren (BDC) erreichen dies beispielsweise durch den Einsatz eines mechanischen Kommutators mit Kohlebürsten, während bürstenlose DC-Motoren (BLDC) eine elektronische Steuerung zum Umschalten der Polarität verwenden.  

Das Fehlen eines Kommutators mit Bürsten macht einen BLDC-Motor verschleißfester und ausfallsicherer. Es wird häufig in der Industrieelektronik und im Elektrotransport eingesetzt, beispielsweise in Autos, Rollern, Fahrrädern und Drohnen. Schrittmotoren ermöglichen es elektronischen Geräten, ihre Positionen mit hoher Genauigkeit zu fixieren, was für Roboter und CNC-Maschinen unerlässlich ist.

Obwohl ein gebürsteter Gleichstrommotor im Vergleich zu seinem bürstenlosen Gegenstück wie ein Oldtimer aussieht, haben ihn viele Elektronikhersteller, Ingenieure und Benutzer noch nicht beiseite geschoben. Sie finden sie in einer Reihe von Unterhaltungselektronik, darunter:

Es gibt mindestens zwei wichtige Argumente für die Verwendung eines Bürstenmotors, nämlich seine Einfachheit und seine geringen Kosten. Ein Gleichstrommotor mit Bürsten hat eine einfachere Konstruktion, ist einfach zu implementieren, zu betreiben und zu steuern. Sie brauchen keine ausgeklügelte Elektronik und kein großes Budget, um einen BDC-Motorcontroller zu bauen. Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, diesen Motortyp in diesem Artikel hervorzuheben.

Wie bereits erwähnt, haben bürstenbehaftete Gleichstrommotoren einen mechanischen Kommutator mit Bürsten. Er verbindet den Rotor mit einer Gleichstromquelle und schaltet die Strompolarität um. Dadurch ändert auch das um die Rotorwicklungen erzeugte Magnetfeld seine Polarität. 

Der Rotor bewegt sich auf den entgegengesetzt geladenen Teil des Stators zu, der verschiedene Konfigurationen aufweist. Abhängig von diesen Konfigurationen werden BDC-Motoren wie folgt klassifiziert:

Permanentmagnet-BDC-Motoren Der Stator des Motors ist mit Permanentmagneten ausgestattet. Solche Motoren haben eine verbesserte Drehzahlregelung und ein hohes Drehmoment am Anfang, aber es gibt eine bestimmte Drehmomentgrenze, die sie nicht überschreiten können.  

Serie BDC-Motoren Der Stator des Motors hat Wicklungen, die mit dem Rotor in Reihe geschaltet sind. Diese Motoren haben beim Motorstart ein hohes Drehmoment, aber eine schlechte Drehzahlregelung. 

Nebenschluss-BDC-Motoren Der Stator des Motors hat Wicklungen, die parallel zum Rotor geschaltet sind. Der Motor bietet eine verbesserte Geschwindigkeitssteuerung, einschließlich Rückwärtsdrehung.  

Verbund-BDC-Motoren Diese Motoren haben einen gewickelten Stator und kombinieren die Eigenschaften von Serien- und Nebenschlussmotoren.

Anders als bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor beteiligt sich ein Controller eines Bürstenmotors nicht am Kommutierungsprozess. Ein BDC-Motorcontroller regelt je nach Bedarf Drehzahl, Drehmoment, Drehrichtung und weitere Parameter des Motors. Die Regulierung dieser Parameter ist eng mit der Steuerung des dem Motor zugeführten Stroms und der Spannung verbunden. Es gibt zwei Optionen, die verwendet werden, um dies zu erreichen.

Ein linearer Spannungsregler verwendet einen Transistorregler, um Spannung in den Motor einzuspeisen und seinen Pegel stabil zu halten. Dabei ist die Ausgangsspannung immer konstant, um sie auf dem entsprechenden Niveau zu halten, muss die Eingangsspannung immer noch höher sein. Dies führt häufig zu Verlustleistungen. 

Ein Linearregler ist einfach, billig und eignet sich gut für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. In modernen Elektromotoren ist es jedoch aufgrund seines geringen Wirkungsgrades selten zu finden. Um die elektrische Leistung effektiver zu verbrauchen, verwendet ein BDC-Motorcontroller einen schaltenden Spannungsregler, der es ermöglicht, Spannung in Impulsen bereitzustellen. 

Dieses Verfahren wird Pulsweitenmodulation (PWM) genannt. Es ermöglicht dem Controller, die Eingangsleistung in aktive Signale oder Impulse zu unterteilen, wenn die Stromversorgung eingeschaltet ist, und in passive Signale, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist. Somit umfasst eine Pulsperiode einen Zyklus des Ein- und Ausschaltens der Leistung. Eine PWM-BDC-Motorsteuerung ändert die Arbeitszyklen (das Verhältnis von Impuls zu Impulsperiode) und liefert Spannung in dem Maße, wie es zum Erhöhen oder Verringern der Motordrehzahl erforderlich ist. 

Schauen wir uns in Anbetracht der weit verbreiteten Verwendung den Schaltungsaufbau eines bürstenbehafteten DC-Motorcontrollers mit Schaltregler an.

Die meisten modernen BDC-Motorcontrollerschaltungen haben eine Anordnung der sogenannten H-Brücke. Eine H-Brückenschaltung besteht aus vier Schaltern, die Spannung liefern und den Motor beim Einschalten diagonal drehen. Gate-Treiber empfangen Signale von einem Mikrocontroller (MCU); danach schließen oder öffnen sie die Schalter, die die gewünschte Spannung liefern. Sie können verschiedene Arten von Transistoren für die Schalter verwenden, darunter:

H-Brücken-BDC-Motorsteuerungsschaltung 

Je nach Anforderung können Sie zwischen diskreten Bauelementen und einem integrierten H-Brücken-Schaltkreis (IC) wählen. Das gleiche gilt für die Gate-Treiber, die entweder diskret sein können oder über eingebaute Transistoren verfügen. Der Gate-Treiber-IC ist eine entwicklerfreundliche Option mit einem wichtigen Nachteil - er ist nicht anpassbar. Wenn Sie also planen, einen maßgeschneiderten Controller für eine Hochleistungsanwendung zu entwickeln, ist es besser, ihn aus diskreten Komponenten aufzubauen.

Eine BDC-Motorsteuerungsschaltung kann von unterschiedlicher Komplexität sein. Beispielsweise ist ein Controller ohne Rückkopplung oder mit offenem Regelkreis einfacher zu entwerfen, da er keine Rückkopplungsmechanismen benötigt. Wenn eine Steuerung den Zustand des Motors überwachen und auf Schwankungen in seinem Verhalten reagieren muss, muss im Inneren eine Rückkopplung oder ein geschlossener Regelkreis vorhanden sein. 

Um beispielsweise die Drehzahl zu regeln, können Sie einen Hall-Effekt-Sensor oder einen am Motor installierten Drehgeber verwenden. Diese Sensoren wandeln die Umdrehungen des Motors in digitale Signale um, die vom Regler gelesen werden. 

Das Design des BDC-Motorcontrollers kann verschiedene Optionen und Nuancen aufweisen, die von der Funktionalität des Controllers abhängen. In diesem Artikel möchten wir uns auf das Bremsen als eine der wichtigen Funktionen moderner DC-Motorsteuerungen konzentrieren. 

Sie können mehrere Methoden verwenden, um einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor zu stoppen oder zu unterbrechen. Diese Verfahren können für Motoren mit verschiedenen Statorkonfigurationen unterschiedlich sein. Hier sehen wir uns das Bremsen eines Permanentmagnet-BDC-Motors an, der aufgrund seiner geringen Größe, seiner leichten Konstruktion und seines hohen Wirkungsgrads weit verbreitet ist. Es gibt also drei grundlegende und eine zusätzliche Möglichkeit, den Motor zu stoppen:

dynamisches Bremsen (ein Motor arbeitet als Generator mit einem Rotorkurzschluss zur Last);

regeneratives Bremsen (ein Sonderfall des dynamischen Bremsens, das am häufigsten in autarken Stromversorgungssystemen verwendet wird);

Einstecken oder Rückstrombremsen (der Strom wird in entgegengesetzter Polarität zur Polarität des Motors geliefert, der im Generatormodus arbeitet); 

Wechselstromversorgung (AC) (eine zusätzliche Bremsmethode).

Die einfachste und sanfteste Art des Bremsens ist das regenerative Bremsen. Sind alle vier Transistoren einer H-Brücke geschlossen, wird der Motor mit Hilfe der Schutzdioden der Transistoren an die Stromversorgung angeschlossen. Somit fließen Spannung und Strom unabhängig von der Drehrichtung des Motors mit der richtigen Polarität zum Netzteil. 

Wenn die vom Motor erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) die zugeführte Spannung mit dem Spannungsabfall an den Dioden überschreitet, liefert der Motor Strom an die Stromversorgung und beginnt mit dem Bremsen. 

Diese Methode ist effektiv, wenn die Drehzahl des Motors hoch genug ist. Um die Verlustleistung der Dioden zu reduzieren, können Sie die entsprechenden Transistorpaare diagonal auf der H-Brücke öffnen. Sie sollten jedoch die Verringerung der Drehzahl berücksichtigen, um zu verhindern, dass die vom Motor erzeugte EMK auf das Spannungsniveau des Stromnetzes abfällt. Außerdem sollten Sie die Drehrichtung des Motors kennen. 

Sie können dynamisches Bremsen implementieren, indem Sie entweder zwei Low-Side- oder zwei High-Side-H-Brücken-Transistoren gleichzeitig schalten (ein- und ausschalten). Dies ist jedoch aufgrund des schematischen Aufbaus des H-Brücken-Gate-Treibers nicht immer möglich. 

Wenn Sie die Drehrichtung des Motors kennen, können Sie nur einen Schalter öffnen, und der Strom fließt durch die Schutzdiode im zweiten Transistor. Durch Anlegen eines PWM-Signals an die Schalter können Sie die Bremsung proportional zum Arbeitszyklus steuern. 

Um Plugging oder Gegenstrombremsung zu implementieren, ist es wichtig, die Drehrichtung des Motors oder die Polarität der erzeugten EMK zu kennen. So können Sie die Sperrspannung anlegen und die maximale Bremskraft erzeugen. Es ist auch notwendig, die Drehzahl des Motors zu kennen oder den durch den Motor fließenden Strom zu überwachen, um ihn zum richtigen Zeitpunkt zu stoppen und seine Rückwärtsdrehung zu verhindern. Sie können diese Methode mit der PWM-Steuerung kombinieren, um die Bremskraft zu ändern. 

Eine weitere Bremsart ist die Versorgung mit Wechselstrom oder -spannung, die als vereinfachte Variante der Gegenstrombremsung angesehen werden kann. Wie wir wissen, kann ein Permanentmagnet-BDC-Motor nicht mit Wechselstrom betrieben werden. In einem solchen Modus vibriert ein Rotor nur, ohne sich zu drehen. Es wird jedoch immer noch eine Bremskraft erzeugt.  

Wie bereits erwähnt, ermöglicht eine H-Brückenschaltung einem Controller, Transistoren diagonal zu schalten. Bei einer Einschaltdauer von 50 % können Sie (wenn Sie eine Differenzmessung der Motorspannung vornehmen) an den Motor eine Wechselspannung anlegen, die eine Bremskraft erzeugt. Sie können diese Kraft regulieren, indem Sie die Totzeit der PWM-Signale für die H-Brücke verringern oder erhöhen.  

Versorgung mit Wechselstrom oder Spannung

Alle oben genannten Bremsverfahren haben einen offensichtlichen Nachteil. Die vom Motor im Generatorbetrieb erzeugte EMK kann die zulässige Grenze der Stromversorgung überschreiten, was zum Ausfall der Bordelektronik führen kann. 

Ein wichtiges Merkmal dieser Methoden besteht darin, dass die Steuerung und die Drähte die vom Motor erzeugte Leistung ableiten. Aus diesem Grund sollten Sie bei der Implementierung einer der Methoden die zulässigen Betriebsarten der Schaltungskomponenten abschätzen. Beispielsweise können Halbleiter (Transistorschalter) einem Spannungsstoß, einem starken Stromimpuls nicht standhalten oder sie können während des längeren Bremsens einfach durchbrennen.   

Beachten Sie auch den schematischen Aufbau des Reglers, da einige Bremsmodi zusätzliche Anforderungen an diesen Aufbau stellen. Wenn Ihr Controller beispielsweise die H-Brückenschalter nur diagonal öffnen kann, können Sie kein dynamisches Bremsen implementieren. Und wenn Sie die Drehrichtung des Motors nicht kennen, können Sie die Gegenstrombremsung nicht verwenden.  

Daher sollten Sie vor dem Bau eines Controllers über klare technische Spezifikationen verfügen, die die Funktionalität des Geräts und seine Implementierung sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene beschreiben. In unserem Artikel zu DC-Motorsteuerungen haben wir verschiedene Konstruktionsprinzipien und Schaltungsbeispiele spezifiziert und unsere persönlichen Erfahrungen mit Bürstenmotoren geteilt. 

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