Gleichstrommotor, Bild: Dunkermotoren

Bei der BG-Baureihe von Dunkermotoren handelt es sich um bürstenlose Gleichstrommotoren mit integriertem Controller. Die Baureihe zeichnet sich durch hohe Dynamik, Wirkungsgrade mit zu über 90 Prozent, hohe Überlastfähigkeit und Leistungsdichte aus. Optional gibt es sie als sinuskommutierte Servo-Ausführung. Bild: Dunkermotoren

Stand der Technik ist die feldorientierte Regelung (FOC), die auf der mathematischen Beschreibung des Motors und der Überführung von Wechselgrößen in Gleichgrößen basiert. Sie bietet Vorteile für die Leistungselektronik, verbessert das dynamische Verhalten und liefert ein optimales Drehmoment. Ein glattes Drehmoment ist einer der wichtigsten Qualitätsparameter für den Betrieb elektrischer Antriebe, denn Drehmomentharmonische können zu mechanischen Schwingungen im kompletten Antriebssystem führen. Drehmomentschwankungen sind oft für die angeschlossenen Lasten schädlich. Zusätzlich können die Drehmomentharmonischen zur einer erhöhten Geräuschentwicklung beitragen. Aus Sicht der Regelungstechnik ist die FOC vergleichbar mit der Regelung eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors. Durch die Entkopplung von magnetischem Fluss und dem Drehmoment wird das typische Verhalten eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors erreicht. Das Grundkonzept der FOC ist die Betrachtung von zeitlichen Momentanwerten. Somit werden die elektrischen Wechselgrößen eines dreiphasigen Motors nicht als raumfest behandelt, sondern drehen sich mit dem Rotor. Das bedeutet, dass die am Stator gemessenen drei Phasenströme in Rotorkoordinaten umgewandelt werden. Da das Bezugssystem statisch ist, kann der Regler mit Gleichstromgrößen anstelle von Wechselgrößen arbeiten.

Feldorientierte Regelung

feldorientierte Regelung, Grafik: Dunkermotoren
Die feldorientierte Regelung benötigt grundsätzlich eine relativ hohe Rechenzeit, da die rotierenden Größen, um sie im Regelkreis zu benutzen, zunächst umgewandelt werden müssen und anschließend die Stellgrößen zurückgewandelt werden müssen. Nachteilig ist hierbei der hohe Rechenaufwand für den Mikrocontroller, dessen Leistungsfähigkeit das dynamische Verhalten der Regelung begrenzt. Mit der FOC ist es jedoch möglich, das Drehmoment und den Fluss separat zu steuern. Auf diese Weise haben die BG-Motoren die gleichen Vorteile wie die Gleichstrommotoren. Gegenüber einer direkten Stromregelung ermöglicht die feldorientierte Regelung eine höhere Spannungsausnutzung und reduziert bei gleicher Leistung die stromproportionalen Verluste. Dieses Verfahren ermöglicht somit einen besseren Wirkungsgrad als die direkte Stromregelung. Grafik: Dunkermotoren

Zwei Methoden

Grundsätzlich gibt es zwei Methoden der FOC. Beide Verfahren unterscheiden sich in der Art, wie der Rotorwinkel oder die Lageerfassung bestimmt wird. Bei der direkten FOC wird der Winkel durch Klemmenspannung und die Klemmenströme berechnet, während bei der indirekten FOC die Rotorposition gemessen wird. Voraussetzung für beide Verfahren und eine gute Regelgüte ist, dass die Motorparameter des Reglers mit den tatsächlichen Parametern des Motors übereinstimmen. Gleichstrommotoren sind so ausgelegt, dass der Magnetfluss in Stator und Rotor jeweils um 90 Grad zueinander versetzt sind, wodurch der Motor maximales Drehmoment erzeugt. Mit der FOC-Technik werden die Motorströme in Zweiachsen-Vektoren transformiert, die vergleichbar mit denen in einem Gleichstrommotor sind. Der Prozess beginnt mit einer Messung der drei Phasenströme des Motors (i1, i2, i3). Weil die Summe der drei Stromwerte zu jedem Zeitpunkt gleich null ist, werden in der Praxis nur zwei Ströme gemessen und der Wert des dritten Stroms aus den erzielten Messwerten errechnet. Mit der Information der Statorströme und des Rotorwinkels werden die Werte in ein Koordinatensystem transformiert, um die Polarkoordinaten, bestehend aus Betrag und Winkel, zu berechnen. Dies bedeutet, dass gemessene Motorströme mathematisch von einem dreiphasigen statischen Referenzsystem der Statorwicklung in ein rotierendes Referenzsystem transformiert werden. Das rotierende System lässt sich sehr einfach durch einen PI-Regler verarbeiten. In ähnlicher Weise werden die an den Motor anzulegenden Spannungen mathematisch in ein dreiphasiges Bezugssystem überführt. Wird ein sinusförmiger Eingangsstrom an den Stator angelegt, so entsteht dabei ein rotierender magnetischer Fluss. Die Drehzahl des Rotors steht dabei in einer direkten Beziehung zum dem sich drehenden Magnetfluss. Dank moderner Mikroprozessoren, präziser Stromerfassung und einer schnellen Leistungselektronik lassen sich das Drehmoment und die Drehzahl des Motors sehr gut regeln. Mithilfe einer Pulsweitenmodulation (PWM) werden die Betrag- und Winkel-Werte in dreiphasige Ströme konvertiert, indem die High- und Low-Side-Schalter des Wechselrichters entsprechend angesteuert werden. Somit wird die Gleichspannung durch Schalten der Leistungstransistoren auf die jeweiligen Motorphasen geschaltet und ein bestimmter Strom per PWM eingeprägt. Die Steuerelektronik übernimmt die Regelung und Ansteuerung des Elektromotors sowie Kommunikationsaufgaben und Überwachungsfunktionen. Gegenüber einer direkten Stromregelung ermöglicht die feldorientierte Regelung eine höhere Spannungsausnutzung und reduziert bei gleicher Leistung die stromproportionalen Verluste. Dieses Verfahren ermöglicht somit einen besseren Wirkungsgrad als die direkte Stromregelung. aru