Verschiedene Arten der Wicklungskommutierung von bürstenlosen (= BLDC / EC) Motoren

Frage:

Was ist der Unterschied zwischen Block-Kommutierung (Block commutation) und "Sinus-Kommutierung" (Sinusoidal commutation) und "feldorientierter Regelung" (FOC - Field Oriented Control)?

Technischer Hintergrund:

1.) Block-Kommutierung (= Block commutation)

Die Blockkommutierung ist eine sehr einfache Methode zur Kommutierung von Motorwicklungen. Die an die Motorwicklungen angelegte Spannung wird in einer definierten Reihenfolge basierend auf den Hall-Sensorsignalen ein- und ausgeschaltet, was zu einem erzeugten Drehmoment und einer Bewegung der Motorwelle führt. Der Nachteil dieser einfachen Schaltmethode ist eine Drehmomentwelligkeit, die kritisch sein kann, z. B. bei Anwendungen (mit niedriger Drehzahl), die einen reibungslosen Betrieb erfordern, oder bei der Positionierung im Stillstand oder bei einer präzisen Drehmomentabgabe, die unabhängig von der Rotorposition sein sollte. 

Die meisten bürstenlosen Motoren (einschließlich maxon) haben eine sinusförmige (oder nahezu sinusförmige) Gegen-EMK. In einem solchen Fall verursacht die Blockkommutierung aufgrund des „harten Schaltens” der Motorspannung an den Motorwicklungen eine Drehmomentwelligkeit von 14 %. Diese Drehmomentwelligkeit kann durch Anlegen eines sinusförmigen Motorstroms (wie bei der „sinusförmigen Kommutierung” oder FOC) vermieden werden.

Hauptmerkmale der Block-Kommutierung:

• Die Erfassung der Rotorlage basiert auf den Signalzuständen des Hall-Sensors.
• Die an die Wicklung angelegte Motorspannung wird alle 60° (elektrisch) umgeschaltet, d. h. der Motorstrom wird in jeder Phase ein- oder ausgeschaltet, was zu einer Drehmomentwelligkeit von 14 % führt (bei Motor mit sinusförmiger Gegen-EMK).

2.) Feldorientierte Regelung (FOC) versus Sinus-Kommutierung

Die feldorientierte Regelung (auch als FOC bekannt) und die Sinus-Kommutierung sind zwei verschiedene Ansätze zur Steuerung von dreiphasigen BLDC-Motoren. Während die Sinus-Kommutierung die Motorwicklung in Form einer Sinuswelle bestromt, verwendet FOC eine komplexere Steuerung, um sowohl das Magnetfeld des Rotors als auch das Drehmoment des Motors effizienter zu regeln. FOC bietet im Allgemeinen eine bessere Leistung und Effizienz, insbesondere bei variablen Drehzahlen und Lasten, während die sinusförmige Kommutierung einfacher zu implementieren ist.

Sinus-Kommutierung:

• Der Strom in jeder Phase wird unabhängig mit einem dedizierten Regelkreis gesteuert. Die den Regelkreisen zugeführten Ströme sind sinusförmig in Bezug auf die Rotorposition. Sie haben identische Amplituden, weisen jedoch eine Phasenverschiebung von 120° zwischen ihnen auf.
• Die erreichbare Motordrehzahl wird durch die Bandbreite der Regelkreise begrenzt.
• Diese Methode ist relativ einfach zu implementieren und wird häufig in einfachen Anwendungen eingesetzt.

Feldorientierte Regelung (FOC):

• FOC ist eine fortschrittlichere Regelungsmethode, bei der der Motor als zwei separate Magnetfelder behandelt wird: das Flussfeld (erzeugt durch den Rotor) und das Drehmomentfeld (erzeugt durch die Statorströme). FOC versucht, diese beiden Felder unabhängig voneinander zu steuern, um eine optimale Leistung und Effizienz zu erzielen.
• Durch die Verwendung von Transformationsmatrizen (z. B. Clarke- und Park-Transformationen) wird die Wechselstromsignalverarbeitung in eine Gleichstromsignalverarbeitung umgewandelt, was zu einer stabileren und effizienteren Steuerung führt.

Feldorientierte Regelung (FOC) oder Sinus-Kommutierung?

• FOC ermöglicht eine bessere Drehmomentsteuerung, einen höheren Wirkungsgrad über einen größeren Drehzahlbereich und ein besseres dynamisches Ansprechverhalten des Motors.
• FOC ist eine leistungsstärkere Methode, die häufig in anspruchsvollen Anwendungen mit dynamischen Servomotoren und in Elektrofahrzeugen eingesetzt wird, während die sinusförmige Kommutierung eine gute Wahl für einfachere Anwendungen sein kann.
• FOC erfordert mehr Rechenleistung als eine rein sinusförmige Kommutierung oder die Blockkommutierung. Das bedeutet, dass die Leistungsgrenze des Mikrocontrollers bei einer niedrigeren Drehzahl erreicht wird als bei der Blockkommutierung. Aus diesem Grund variieren die maximalen Drehzahlen je nach gewähltem Kommutierungsmodus.

Achtung: Verwechslungsgefahr und Missverständnisse!

Im Alltagssprachgebrauch und auch in maxon-Handbüchern und -Software wird oft nur „Sinusoidal Commutation" genannt, womit FOC und sinusförmige Kommutierung gemeint sind. Leider ist dies auch in vielen Handbüchern der Fall. Selbst in der maxon Sofware wird nur "Sinusoidal commutation" bei der Systemeinrichtung (via „Startup”-Assistent) genannt. Bei der Terminologie mit reinem Fokus auf die Kommutierung ist dies zwar auch korrekt, aber das Gesamtkonzept der Regelung basiert auf "FOC – Field Oriented Control”, obwohl dies nicht ausdrücklich erwähnt wird.

Drehmomentwelligkeit: Praxis und Theorie?

• Theoretisch sollte die Drehmomentwelligkeit 0 % betragen, wenn ein Motor mit eisenloser Wicklung und sinusförmiger Gegen-EMK in Kombination mit einer FOC-Steuerung verwendet wird. Aufgrund der Fertigungstoleranzen der verwendeten Motorkomponenten (z. B. nicht 100 % perfekte sinusförmige Gegen-EMK) und Sensoren (z. B. Toleranz des Phasenübergangspunkts) kann in der Praxis jedoch immer noch eine leichte Drehmomentwelligkeit auftreten.
• Bei Motoren mit eisenbehafteter Wicklung (wie häufig bei Motoren von Drittanbietern und auch bei den maxon EC-i, EC-flat, EC-frameless und IDX) muss auch das Rastmoment berücksichtigt werden, welches zu einer zusätzlichen Drehmomentwelligkeit führt, die nur mit speziellen Regleralgorithmen kompensiert werden kann.
• Falls für eine Anwendung keine oder nur vernachlässigbar kleine Drehmomentwelligkeit innerhalb einer Motorumdrehung gefordert ist, sollte ein maxon Motor mit eisenloser Wicklung in Kombination mit einem Motorregler mit FOC und Stromregler-Taktraten von 25 kHz oder höher gewählt werden. Die EPOS4 und ESCON2 erfüllen beide Anforderungen.

Kommutierungsarten der maxon Motorsteuerungen:

• ESCON:
  Immer Block-Kommutierung.
  Unabhängig davon, ob Hallsensoren und zusätzlich noch ein Encoder vorhanden ist.
• ESCON2:
  Immer "FOC - Feldorientierte Regelung"
  Sogar falls nur Hallsensoren ohne Encoder vorhanden sind.
• EPOS4:
  "Block-Kommutierung" oder "FOC - Feldorientierte Regelung" ist teilweise auswählbar abhängig von der vorhandenen Sensorik der Motorkombination:
  • EPOS4 und nur Hallsensoren:
    Nur "Block-Kommutierung" ist möglich.
  • EPOS4 und Hallsensoren plus Encoder (inkrementell oder SSI): 
    Block-Kommutierung oder FOC ist auswählbar.
  • EPOS4 und SSI-Absolutgeber ohne Hallsensoren:
    Nur "FOC - Feldorientierte Regelung" ist möglich.

Querverweise:

• maxon Katalog: "EC Motor ... short and to the point":

  • https://epaper.maxongroup.de
    Suchen Sie nach dem Abschnitt "maxon EC motor ... Technik -kurz und bündig"
    Bitte beachten Sie die englischen, deutschen und französischen Katalogseiten, die am Ende dieses Support Center Dokuments angehängt sind. Die entsprechenden Seiten für Ihren Motortyp (eisenlos, mit Eisenkern, rahmenlos) enthalten ebenfalls Informationen zur „Blockkommutierung” und „Sinus-Kommutierung”.
     

• maxon's Formelsammlung: "Selektion DC-Antriebe: Leitfaden mit Berechnungen"

  • https://formulaehandbook.maxongroup.de
    Suchen Sie nach dem Kapitel "6.3. Auswahlkriterien Motortype (DC oder EC) -> "Kommutierung EC-Motoren":
    
     

• Ergänzende Support Center Dokumente

  • Stärke eines BLDC (EC) Motors bei Sinuskommutierung
  • Bedeutung und Einfluss von "Rastmoment" und "Drehmoment-Rippel"
  • EPOS4: Sensoren & Aufstarten der Sinus-Kommutierung
  • EPOS4, ESCON2, ESCON: Welche Steuerungsbaureihe ist die richtige Wahl?
  • ESCON2: Was macht sie so besonders?
     

• Weiterführende Dokumente (von Drittanbietern) für Experten

  • Texas Instruments: 
    "Demystifying BLDC motor commutation: Trapezoidal, Sinus, and FOC"