Thema:

Bei der Motorsteuerung und dem Motorbetrieb wird manchmal von Strom- oder Drehmomentwelligkeit bzw. den englischen Begriffen "Current ripple" und "Torque ripple" gesprochen.

• Was bedeuten all diese verschiedenen "... Rippel" und "... Welligkeit" Begriffe?
• Wie lassen sich die verschiedenen Arten und Ursachen des "Rippel" und der "Welligkeit” reduzieren?

Lösung:

Man muss zwischen verschiedenen Aspekten unterscheiden, die ...

• ... einen "Stromrippel" verursachen können
  was zu einer Erwärmung des Motors führt, auch wenn keine mechanische Last vorhanden ist.
• ... einen "Drehmomentrippel" oder "Rastmoment” erzeugen
  was zu einer weniger gleichmäßigen Drehung der Motorwelle führt.

I.) Stromwelligkeit durch PWM-Leistungsansteuerung

Fast alle modernen Motorsteuerungen verwenden in ihrer Leistungsstufe eine sogenannte PWM (= Pulsweitenmodulation), über welche die Motorspannung permanent so geregelt wird, dass der Motor möglichst präzise dem vorgegebenen Motorstrom, Drehzahl oder Position folgt. Einfach ausgedrückt, erhält der Motor wechselnde extrem kurze Spannungsimpulse mit unterschiedlichen Impulslängen mit einer hohen Frequenz von 50 ... 100 kHz (d. h. alle 0,02 ... 0,01 Millisekunden ein neuer Impuls). Die Länge (der sogenannte "PWM Duty Cylce") jedes Impulses bestimmt die resultierende durchschnittliche Motorspannung, die mit dem Betriebspunkt des Motors übereinstimmen muss. Der "PWM Duty Cycle" wird innerhalb jedes Strom-, Drehzahl- und Positionsregelerzyklus angepasst.

Die PWM-Impulse verursachen aufgrund der ansteigenden und abfallenden induzierten Spannung eine Stromrippel im Motor. Die Höhe des Stromrippels hängt vom Versorgungsspannungspegel der Leistungsendstufe, der PWM-Frequenz, dem PWM-Typ, dem PWM Duty Cycle und der Wicklungsinduktivität des Motors ab.

Gegenmaßnahmen:

In die Leistungsstufe integrierte oder extern hinzugefügte Motordrosseln können den PWM Stromrippel reduzieren und die Erwärmung des Motors verringern (die auch ohne mechanische Last auftritt).

• Die maxon "Compact" und Steuerungstypen mit Gehäuse der EPOS4, ESCON2 und ESCON Baureihe verfügen über integrierte Motordrosseln. In der Regel ist es dann nicht erforderlich, externe Motordrosseln oder Motorfilter hinzuzufügen.
• Bei Steuerungen und Leistungsendstufen von Drittanbietern oder den maxon Steuerungstypen "Module", "Micro" und "Nano" kann es erforderlich sein, Motordrosseln hinzuzufügen.

maxon bietet eine einfache Faustregel, um zu bestimmen, ob eine externe Motordrossel hinzugefügt werden muss und welche Induktivität erforderlich ist. Das Hinzufügen einer Motordrossel reduziert den PWM Stromrippel. Ein hoher Stromrippel bedeutet auch eine Erwärmung des Motors, abhängig von der Drehzahl und dem PWM-Typ (2-Punkt oder 3-Punkt). Dieser Effekt unterscheidet sich nicht, unabhängig davon, ob eine Block- oder Sinus-/FOC-Kommutierung (bei bürstenlosen Motoren) verwendet wird.

Querverweis:

• PWM, PWM-Typ (2-Punkt, 3-Punkt), Stromrippel, Motorerwärmung
• PWM Leistungsendstufen: Stromrippel & Motor-Drossel

Wichtig zu beachten:

• Die Formel zur Berechnung der empfohlenen Zusatzinduktivität ist nur eine grobe "Faustregel", die auf "Worst-Case" Annahmen basiert. d.h. eine Maximalbetrachtung des Stromrippels ist.
• Die berechnete Zusatzinduktivität ist kein präziser Induktivitätswert, der zwingend hinzugefügt werden muss. Letztendlich kommt es darauf an, welches Mass an Motorerwärmung akzeptiert wird. Dies wird durch den PWM-Schalttyp, die Versorgungsspannung und die typische Drehzahl während des Betriebs beeinflusst (um festzustellen, ob der Motor mit maximalem PWM Stromrippel bei einer Drehzahl im "Worst-Case-Szenario" betrieben wird).
  • Bei einer 2-Punkt-PWM tritt der höchste PWM Stromrippel (Erwärmung des Motors) bei Drehzahl Null (= Stillstandsregelung) auf. Für Anwender ist es oft überraschend, dass sich der Motor auch ohne Last im Stillstand erwärmt (im Falle einer 2-Punkt-PWM).
  • Eine 3-Punkt-PWM ist die bessere Wahl (und hauptsächlich Standard für jede moderne Leistungsstufe). Bei einer 3-Punkt-PWM gibt es im Stillstand keine PWM-Impulse und keine Stromwelligkeit, wenn der Motor nicht gegen eine externe Kraft angetrieben werden muss.
• Die ausgewählte Motordrossel muss in der Lage sein, ihren angegebenen Induktivitätswert bei typischen PWM-Frequenzen von 50 ... 100 kHz PWM ungefähr beizubehalten.
  • Der spezifizierte Induktivitätswert einer Drossel bezieht sich in der Regel auf eine niedrige Frequenz von 1 kHz und eine sinusförmige Wellenform (und nicht auf eine 50 - 100 kHz PWM).
  • Der Induktivitätswert der meisten "Standard"-Drosseln kann bei hohen PWM-Frequenzen stark abfallen (z. B. auf 30 % des angegebenen Wertes).
  • Die "Hardware-Referenz" der maxon-Steuerungen nennt empfohlene Motordrosseln, wenn Sie Ihre eigene Elektronikplatine (= ein sogenanntes "Motherboard") für eine der "Module", "Micro" oder "Nano” Steuerungstypen entwickeln wollen.

II.) Drehmomentrippel abhängig vom Kommutierungstyp

Bei bürstenlosen Antrieben (= EC, BLDC Motor) erfolgt die Kommutierung (d.h. Umschaltung zwischen den Motorwicklungen für die kontinuierliche Rotorbewegung) über eine so-genannte elektronische Wicklungskommutierung durch die Motorsteuerung. Es gibt hier zwei grundlegende Kommutierungsvarianten (= "Commutation type"), die sich unterschiedlich auf den "Drehmomentrippel" innerhalb einer Motorwellenumdrehung auswirken.

Der verwendete Kommutierungstyp bestimmt, ob ein Drehomentrippel verursacht wird (oder nicht):

• Bei der sogenannten Block-Kommutierung kommt es aufgrund der einfachen, schlagartigen Umschaltung der Wicklungen zu einem Drehmomentrippel von 14% bei jeder Wicklungsumschaltung, d.h. mehrfach innerhalb einer Motorwellenumdrehung.
• Die sogenannte Sinus- oder FOC-Kommutierung eliminiert den Drehmomentrippel theoretisch vollständig bzw. reduziert ihn auf ein sehr tiefes Niveau (von ca. 1-2%), welches durch mechanische und sensorseitige Toleranzen bedingt ist.

Querverweis:

• Verschiedene Arten der Wicklungskommutierung von bürstenlosen (= BLDC / EC) Motoren 
• Stärke eines BLDC (EC) Motors bei Sinuskommutierung

III.) Rastmoment bei Motoren mit eisenbehafteter Wicklung:

Gilt für viele bürstenlosen Antriebe von Drittherstellern, wie auch die maxon "EC-i", "EC-flat", "ECX-flat", "EC frameless" Motorbaureihen.

Eisenbehaftete Motoren haben bauartbedingt ein Rastmoment, das leicht zu spüren ist (z. B. bei leistungsstarken EC-i, EC-flat), wenn die Motorwelle manuell gedreht wird. Es fühlt sich an, als wolle sich die Motorwelle in bestimmte Positionen bewegen oer halten (ähnlich wie bei einem Schrittmotor). Die Auswirkungen des Rastmoments sind oft größer und relevanter als der bei der Blockkommutierung auftretende "Drehmomentrippel".

• Das Rastmoment hängt nicht von der Verwendung der Block- oder FOC-Kommutierung ab. Es ist bei beiden Kommutierungstypen in fast gleicher Stärke vorhanden.
• Um diesen Effekt von eisenbehafteten Motoren zu reduzieren, ist eine spezielle Rastmomentkompensation durch die Motorsteuerung erforderlich, welche an den entsprechenden Rotorpositionen ein angepasstes Drehmoment (= Motostrom) aufbringt.
  • Da die Kompensation des Rastmoments für perfekte Ergebnisse streng auf die Motoreigenschaften abgestimmt werden muss und die erforderlichen Algorithmen recht komplex sind und eine hohe Prozessorlast erfordern, bietet keine der maxon-Steuerungen (und auch die meisten Mitbewerber nicht) eine solche Funktion als Standard an.
  • maxon hat Algorithmen zur "Rastmoment-Kompensation" entwickelt. Diese (kostenpflichtige) Implementation dieser Algorithmen kann als anwendungs-/kundenspezifische Zusatzfunktion auf der Grundlage eines konkreten Projekts und eines definierten Motors angeboten werden.

Querverweis:

• Die in "II.) Drehmomentrippel" und "III.) Rastmoment" beschriebenen Effekte werden auch im folgenden öffentlichen Support-Center-Dokument erläutert:
  • Bedeutung und Einfluss von "Rastmoment" und "Drehmoment-Rippel"