Dauerläufer
BLDCs oder zu deutsch "bürstenlose Gleichstrommotoren" sind durch die rasante Entwicklung intelligenter Smart-Power-Devices ebenso rasant in viele neue Anwendungsgebiete vorgedrungen. Es war die Elektronik, die diesen Siegeszug ermöglicht hat, denn ohne kostengünstige und intelligente Ansteuerung der Statorspulen sind BLDCs nicht wettbewerbsfähig darzustellen.
So finden wir sie heute in jeder Harddisk als Spindelmotor, bei den PC-Lüftern, im Automobil, in der Medizintechnik oder in der indus-triellen Automatisierung als sog. "Servos".
Durch ihre berührungslose Ener-gieumsetzung sind sie äußerst wartungsarm, leistungsfähig und durch den Einsatz integrierter elektronischer Bausteine zudem präzise zu steuern - wahrhafte Dauerläufer also.
Elektronische Kommutation
Gleichstrommotoren der Vergangenheit verwendeten eine zwangsgesteuerte, elektromechanische Kommutation, d.h. die als Rotor ausgebildeten Elektro-magnete wurden über Kontakte und Bürsten (oder auch "Kohlen") mit Strom versorgt und durch die Rotation der Motorachse synchron umgeschaltet. BLDCs haben ihre Elektromagnete im Stator und verwenden meist extrem leistungs-fähige Dauermagnete im Rotor.
Durch diese Umkehrung der Verhältnisse werden Schleif-kontakte obsolet, es muss nun allerdings dafür gesorgt werden, dass sich das im Stator aufgebaute Magnet-feld in Rotation versetzt, es ist also durch eine geeig-nete Sequenz bei der Ansteuerung der Stator-spulen ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen, das den dauermagnetischen Läufer auf der Achse "mitnimmt". Hierfür sind heute sowohl geeignete Controller verfügbar als auch die notwendigen Powerschalter (i.d.R. MOSFETs), um auch Motoren der höheren Leistungsklasse betreiben zu können.
Untenstehende Abbildung zeigt das Prinzip für einen zweipoligen BLDC:
Brushless BLDC-Controller von LSI Computer Systems
Unser Lieferant LSI/CSI entwickelt seit vielen Jahren Halbleiter für die Automatisierungsindustrie, recht bekannt sind seine Zähler- und Teiler-ICs, aber auch seine Ansteuer-ICs für AC- und DC-Motoren aller Leistungsklassen.
Die neuesten Bausteine für bürstenlose Gleichstrommotoren heißen LS7560N und LS7561N und wurden entwickelt zur Steuerung von einphasigen, aber auch 3- und 4-Phasen Gleichstrommotoren, betrieben in offener oder geschlossener Schleifenkonfiguration. Implementiert in CMOS Siliziumtechnologie bieten die Controller umfangreiche Funktionen und sind dabei sehr kosteneffizient.
Die Betriebsmöglichkeiten beinhalten die Geschwindigkeitsregelung mit und ohne Rückkopplung (offene oder geschlossene Regelschleife), die Auswahl der Sensorabstände, dynamisches Abbremsen oder Abbremsen mit PWM, Fehlererkennung und –anzeige, Überstromerkennung, Richtungs-steuerung, Enable-Eingang, PWM-Steuerung für Top- und Bottom-Treiber oder nur Bottom-Treiber und Auswahl der Top-Treiber-Polarität.
Die Bausteine arbeiten präzise in einem Versorgungsspannungsbereich zwischen 10V und 18V. Die wesentlichen Funktionsblöcke innerhalb der ICs beinhalten einen Sensor-Decoder für die Kommutations-Sequenzerzeugung, einen Frequenz-Pulsbreiten-Wandler, Fehlerverstärker zur Steuerung der Motorgeschwindigkeit bei geschlossener Regelschleife, einen Komparator und Sägezahnoszillator zur Erzeugung der Pulsbreitenmodulation, eine Spannungsreferenz für die Motorsensoren und Detektoren für Überstrom, Enable-Eingang, Low-Power- sowie Low Voltage-Erkennung.
Die beiden Bausteine LS7560N und LS7561N unterscheiden sich in ihrem Verhalten bei Auftreten von Überstrom. Der LS7560N schaltet unter dieser Bedingung alle Treiber aus, während der LS7561N nur die Bottom-Treiber abschaltet.
Anwendung
Nebenstehende Grafik zeigt die Anwendung des Bausteines mit einem dreiphasigen BLDC-Motor, der über Hallsensoren verfügt und damit die exakte Regelung der Motorgeschwindigkeit ermöglicht. Die 3 Anschlüsse der Hallsensoren werden im Chip zu einer PWM umgewandelt, die am Tachometerausgang (Pin 5) zur Verfügung steht. Mit einem simplen Integrator-element (RC-Glied im Rückkopplungs-zweig des Error-Amplifiers) entsteht daraus eine Gleichspannung, die im Fehlerverstärker mit der Sollgeschwindigkeit (Steuerspannung an Pin6) verglichen wird und damit die Ansteuerung der Motorwicklungen beeinflußt.
An dieser Stelle lässt sich natürlich auch eine numerische Steuerung mit Hilfe eines Mikrocontrollers implementieren, indem die Impulse am Tachoausgang gezählt werden und damit höchst präzise die aktuelle Ist-Geschwindigkeit melden. Mit einem D/A-Converter des Controllers und ein paar Zeilen Code lässt sich dann die Regelschleife schließen.
Die 6 Ausgänge OUT1 .. OUT6 verfügen übrigens über recht leistungsfähige Push-Pull-Stufen, die maximal einen Treiberstrom von je 50mA liefern und damit nicht nur MOSFETs sondern auch bipolare Transistoren mit niedriger Stromverstärkung ansteuern können.
Shortform-Katalog der LSI/CSI-Produkte
AppNote: Ansteuerung von BLDC-Motoren mit LSI/CSI-ICs
