{"id":6738,"date":"2024-02-16T08:51:04","date_gmt":"2024-02-16T08:51:04","guid":{"rendered":"https:\/\/faradyi.com\/?p=6738"},"modified":"2024-02-16T08:54:46","modified_gmt":"2024-02-16T08:54:46","slug":"analyse-der-positionsbestimmung-fur-burstenlose-gleichstrommotoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/faradyi.com\/de\/analysis-of-position-estimation-for-brushless-dc-motors\/","title":{"rendered":"Analyse der Positionssch\u00e4tzung f\u00fcr b\u00fcrstenlose Gleichstrommotoren"},"content":{"rendered":"
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Durch Platzieren der Hall-Sensoren eines b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotors gegen\u00fcber dem durch die Welle oder Rotorverl\u00e4ngerung gebildeten Magnetrad kann die Position des Rotors erkannt werden. Dies liefert jedoch nur gen\u00fcgend Kommutierungssignale, was bei einem dreiphasigen b\u00fcrstenlosen Motor sechs Signale pro elektrischem Zyklus bedeutet. Diese wenigen diskreten Impulse reichen f\u00fcr Hochleistungsanwendungen nicht aus. Optische Encoder und Drehtransformatoren k\u00f6nnen hochaufl\u00f6sende Rotorpositionssignale liefern, sind jedoch relativ teuer und erfordern erhebliche Installationsvorbereitungen. Aus Kosten- und Fertigungsgr\u00fcnden m\u00fcssen sie bei gro\u00df angelegten Anwendungen weggelassen werden. Es gibt viele Methoden, um Kommutierungssignale abzusch\u00e4tzen. Im Folgenden werden sie kurz zusammengefasst:<\/p>\n

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(1) Sch\u00e4tzung mithilfe des b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotormodells:<\/strong><\/h5>\n

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Durch die Nutzung externer Str\u00f6me und Spannungen zusammen mit Motorparametern wie Widerstand, Induktivit\u00e4t und Gegeninduktivit\u00e4t kann die induzierte elektromotorische Kraft aus dem Modell eines b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotors gewonnen werden. Der Vorteil dieser Methode ist die Extraktion isolierter Signale, da Strom- und Spannungseing\u00e4nge von Natur aus isolierte Signale sind. Schwankungen in der DC-Busspannung k\u00f6nnen anhand der Parameter des DC-Busfilters und des DC-Busstroms gesch\u00e4tzt werden. Die Empfindlichkeit von Parametern, insbesondere des Statorwiderstands, kann zu Fehlern bei der Sch\u00e4tzung der induzierten elektromotorischen Kraft f\u00fchren, was zu ungenauen Kommutierungssignalen an den Wechselrichter f\u00fchrt.<\/p>\n

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(2) Induzierte elektromotorische Kraft von Sensorspulen:<\/strong><\/h5>\n

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Der Einbau von Sensorspulen in einen b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotor ist kosteng\u00fcnstig, um Signale der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft zu erhalten. Der Vorteil liegt in relativ vollst\u00e4ndigen Signalen, Parameterunempfindlichkeit und elektrischer Isolierung. Zu den Nachteilen geh\u00f6ren jedoch Herstellungsprozesse und zus\u00e4tzliche Verkabelung vom b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotor. Beispielsweise ist er aufgrund der Dichtungsanforderungen nicht zum Antrieb von K\u00fchlschrankkompressormotoren geeignet.<\/p>\n

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(3) Nutzung stromloser Phasen zur Gewinnung von Gegen-EMK:<\/strong><\/h5>\n

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Eine g\u00e4ngige Methode zum Abrufen von Positionsinformationen besteht darin, die induzierte gegenelektromotorische Kraft der Motorphasenwicklung zu \u00fcberwachen, wenn die Phasenwicklung stromlos ist. Beachten Sie, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur zwei Phasen des b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotors leitend sind und eine Phase 3,33% lang stromlos ist. W\u00e4hrend dieser Zeit tritt in den Wicklungen des Motors eine induzierte gegenelektromotorische Kraft auf, die erkannt werden kann. Die Polarit\u00e4t der induzierten gegenelektromotorischen Kraft bestimmt die entsprechende Polarit\u00e4t des in den b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotor eingespeisten Stroms. Um nicht warten zu m\u00fcssen, bis die induzierte gegenelektromotorische Kraft einen stabilen Bereich erreicht, um eine Phase des Motors zu aktivieren, wird aus der induzierten gegenelektromotorischen Kraft ein spezieller Wert ermittelt, der 30\u00b0 vom Nulldurchgangsmoment entfernt ist. Die Ausgabe des Integrators entspricht 30\u00b0 vom positiven Nulldurchgang entfernt, was als Schwellenwert f\u00fcr die Aktivierung einer Phase bezeichnet wird.<\/p>\n

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Unter der Annahme einer trapezf\u00f6rmigen Wellenform der induzierten gegenelektromotorischen Kraft ist der Spitzenwert EP, wenn die elektrische Rotordrehzahl Wb betr\u00e4gt. Die Steigung des ansteigenden Teils der induzierten gegenelektromotorischen Kraft bei jeder Drehzahl kann durch das Verh\u00e4ltnis der Spitzenspannung bei dieser Drehzahl zum Zeitintervall angegeben werden, das 30\u00b0 des elektrischen Winkels entspricht.<\/p>\n

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Obwohl die Sensorausgangsspannungen unterschiedlich sind, kann entsprechend nachgewiesen werden, dass dieser Algorithmus auch auf b\u00fcrstenlose Motoren mit sinusf\u00f6rmiger Gegenelektromotorischer Kraft anwendbar ist. Beachten Sie, dass die Sensorausgangsspannung konstant und unabh\u00e4ngig von den Parametern des b\u00fcrstenlosen Motors ist und ihre Gr\u00f6\u00dfe bei jeder Geschwindigkeit gleich ist. Der einzige m\u00f6gliche Nachteil der Sensorausgangsspannung liegt in den Temperatureigenschaften des Rotorpermanentmagneten, die den Rotormagnetfluss verringern, was zu einer Verringerung des Spitzenwerts der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft f\u00fchrt. Dies kann zu Fehlern f\u00fchren, sodass die Erregung 30\u00b0 vom elektrischen Nulldurchgangswinkel entfernt m\u00f6glicherweise nicht genau wie erforderlich erfolgt. Ohne zus\u00e4tzliche Kalibrierungsma\u00dfnahmen k\u00f6nnen b\u00fcrstenlose Gleichstrommotoren m\u00f6glicherweise nicht optimal genutzt werden.<\/p>\n

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(4) Dritte Harmonische der Gegen-EMK:<\/strong><\/h5>\n

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Eine alternative Methode besteht darin, die 3. Harmonische der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft in den Motorwicklungen zu erfassen und sie zur Erzeugung von Steuersignalen zu verwenden. Ein dreiphasiges, sternf\u00f6rmig angeschlossenes Vierleitersystem erm\u00f6glicht die Erfassung der 3. Harmonischen der induzierten Gegenelektromotorischen Kraft und kann mit vier Widerst\u00e4nden kosteng\u00fcnstig gemessen werden.<\/p>\n

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(5) KI-basierte Steuerungsmethoden:<\/strong><\/h5>\n

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Intelligente Steuerungen wie neuronale Netze oder Fuzzy-Regler k\u00f6nnen die Rotorposition oder die Kommutierungsposition aus Variablen des b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotors wie Strom und magnetischem Fluss extrahieren. Sie extrahieren lediglich R\u00fcckkopplungsinformationen aus Variablen, die m\u00f6glicherweise Informationen zur Rotorposition oder zu Kommutierungsbedingungen enthalten. Diese Technologien sind adaptiv und erm\u00f6glichen eine kontinuierliche Optimierung durch Selbstlernen im Laufe der Zeit. Mit der zunehmenden Geschwindigkeit aktueller Prozessoren wird die Programmierung von Steuerungen f\u00fcr praktische Anwendungen praktikabler. Der gr\u00f6\u00dfte Nachteil dieser Steuerungen besteht darin, dass neuronale Netzsteuerungen vor dem Betrieb vorab gelernt werden m\u00fcssen. Sie k\u00f6nnen Offline-Selbstlernfunktionen bereitstellen.<\/p>\n

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Alle Methoden, die auf induzierter Gegenelektromotorik beruhen, haben den Nachteil, dass im Stillstand keine Positionsinformationen erhalten werden k\u00f6nnen, da bei einer Geschwindigkeit von null keine induzierte Gegenelektromotorik vorhanden ist. Selbst bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten kann die induzierte Gegenelektromotorik m\u00f6glicherweise nicht leicht erkannt werden. Um einen b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotor erfolgreich auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu starten und bei dieser Geschwindigkeit mithilfe von Methoden der induzierten Gegenelektromotorik zuverl\u00e4ssig Positionsinformationen zu generieren, muss daher eine Methode zum Generieren von Steuersignalen bei einer Geschwindigkeit von null und in der N\u00e4he davon enthalten sein. Daher ist ein Startvorgang erforderlich, wenn ein b\u00fcrstenloser Gleichstrommotor stillsteht. Dieser Vorgang kann aus zwei Schritten bestehen, die im Folgenden n\u00e4her erl\u00e4utert werden:<\/p>\n

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Schritt 1:<\/strong> Wenn Sie eine oder zwei Phasen mit Strom versorgen, kann sich der Rotor an einer vorbestimmten Rotorposition ausrichten. Auf diese Weise ist die Anfangsposition bekannt und es k\u00f6nnen korrekte Startsteuersignale generiert werden. Bis sich der Rotor bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu bewegen beginnt, ist die induzierte gegenelektromotorische Kraft sehr gering und kann nicht zur Generierung von Kommutierungsimpulsen verwendet werden, bis der Rotor eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat. Der zweite Schritt ist erforderlich, um den Startvorgang abzuschlie\u00dfen.<\/p>\n

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Schritt 2:<\/strong> Sobald sich der Rotor zu bewegen beginnt, wird die Statorphasenwicklung mit einer langsam variierenden Frequenz erregt, um den Statorstrom konstant zu halten. Die Frequenz\u00e4nderungsrate wird niedrig gehalten, um die Synchronit\u00e4t aufrechtzuerhalten, und wenn die Last bekannt ist, kann sie entsprechend gesteuert werden. Wenn sie unbekannt ist, wird wiederholt mit der Statorfrequenz experimentiert, bis sie eine Mindestgeschwindigkeit erreicht, bei der die Amplitude der induzierten gegenelektromotorischen Kraft zur Steuerung ausreicht. Dies stellt den zweiten Schritt des Startvorgangs dar. Das Problem bei dieser Methode ist ihre mangelnde Pr\u00e4zision, da w\u00e4hrend des Startvorgangs ein gewisses Zittern und Vibrationen zu sp\u00fcren sind, was in vielen Anwendungen m\u00f6glicherweise nicht sinnvoll ist. In vielen F\u00e4llen kann der erste Schritt \u00fcbersprungen werden, und nur der zweite Schritt wird zum Starten des b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotors verwendet.<\/p>\n

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Mikrocontroller-L\u00f6sungen:<\/strong><\/h5>\n

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Auf dem Markt sind viele Mikrocontrollerl\u00f6sungen zur Steuerung b\u00fcrstenloser Gleichstrommotoren erh\u00e4ltlich, darunter Strategien f\u00fcr den sensor- und sensorlosen Betrieb, einschlie\u00dflich des Startvorgangs. Sie sind im Niederspannungsbereich von 12-48 V sehr beliebt und decken ein breites Anwendungsspektrum ab. Bei b\u00fcrstenlosen Motorantrieben f\u00fcr Hochspannungsbereiche ist Vorsicht geboten, da das Schaltrauschen erheblich wird und in solchen Umgebungen robuste Steuerungsmethoden erforderlich sind. Im Hochspannungsbereich werden herk\u00f6mmliche Steuerungsprodukte haupts\u00e4chlich durch digitale Signale oder andere Formen der Mikroprozessorsteuerung gesteuert.<\/p>\n

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Die Nutzung der Polauspr\u00e4gung f\u00fcr Permanentmagnet-Synchronmotoren und die Verwendung von Signalinjektion zur Ermittlung der Induktivit\u00e4t ist eine weitere Technik zur Ermittlung der Rotorposition, die bei der Anwendung von b\u00fcrstenlosen Gleichstrommotoren er\u00f6rtert werden muss. Sie bietet keine gro\u00dfe Hilfe f\u00fcr b\u00fcrstenlose Gleichstrommotoren, da es keinen klaren Unterschied zwischen oberfl\u00e4chenmontierten und innenliegenden Permanentmagnetmotoren gibt. Beachten Sie, dass das Signal<\/p>\n

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Faradyi-Kollektion b\u00fcrstenloser Gleichstrommotoren<\/a><\/h5>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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