Autor: Maurizio Di Paolo Emilio, Mouser Electronics

Elektromotoren sind ein wesentlicher Bestandteil im industriellen Bereich und werden dort für Ventilatoren, Pumpen und andere Maschinentypen in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Klassische Wechselstrommotoren gibt es seit mehr als einem Jahrhundert. Sie sind die einfachste Art von Induktionsmotoren, aber sie verschwenden sehr viel Energie. Gleichstrommotoren sind rotierende elektrische Maschinen, die in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Die Drehzahl eines Gleichstrommotors kann durch Modulation der Spannung entsprechend den Anforderungen der Anwendung gesteuert werden. Auf diese Weise kann viel Energie gespart werden, da der Motor nur so viel arbeitet, wie es die Situation erfordert.

Merkmale von Elektroantrieben

Ein Elektromotor ist eine „reversible“ Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der Begriff „reversibel“ bedeutet hierbei, dass diese Maschine auch in umgekehrter Richtung arbeiten kann. Dann wird sie als „Generator" bezeichnet. Konzeptionell und oft auch praktisch handelt es sich jedoch um ein und dasselbe. Ein Motor besteht immer aus einem festen (Stator) und einem beweglichen (Rotor) Teil. Die verschiedenen Motortypen unterscheiden sich durch die Art und Weise, wie die Magnetfelder erzeugt werden:

• Gleichstrommotoren (DC): statisches Feld, das durch Magnete oder durch Wicklungen im Stator erzeugt wird; sie sind in vielen Spannungsvarianten erhältlich; die gängigsten sind 12 V und 24 V.
• Wechselstrommotoren (AC): dynamisches Feld, das durch die Wechselwirkung zwischen den von den Strömen und dem Rotor erzeugten Feldern entsteht. Die Drehung des Rotors ist mit der Frequenz des Versorgungsstroms synchronisiert (Synchron-Wechselstrommotor).
• Bürstenlose Motoren: statisches Feld, erzeugt durch rotierende Magnete, die auf dem Rotor befestigt sind.

Bei Gleichstrommotoren erfolgt die Erzeugung des Magnetfelds durch den Stator. Die Magnete können bei Motoren mit geringer Leistung Permanentmagnete sein (z. B. Ferrite), während sie bei Motoren mit mittlerer und großer Leistung durch spezielle Wicklungen erzeugt werden, die auch als gewickeltes Feld bezeichnet werden. Die Kraft wird durch rotierende Kollektoren und Bürsten auf den Rotor übertragen, die einem gewissen Verschleiß unterliegen. Sie zeichnen sich durch hohe Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Die Motordrehzahl wird durch die Einstellung der an die Ankerwicklung angelegten Gleichspannung gesteuert. Je nach Anwendung wird ein Vollbrückenwandler, ein Halbbrückenwandler oder ein reiner Pulsweitenmodulationswandler (PWM) verwendet.

Gleichstrommotoren kommen auch häufig in Servoanwendungen zum Einsatz, bei denen es auf Geschwindigkeit und Genauigkeit ankommt. Um die Konstruktionsanforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Genauigkeit zu erfüllen, sind eine Mikroprozessor-Steuerung mit geschlossenem Regelkreis und Informationen über die Rotorposition entscheidend. Der Hall-Effekt-Sensor vonMaximMAX9921 liefert Informationen über die Rotorposition. Ein Hall-Effekt-Sensor ist ein Wandler, der seine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ändert. Der Hall-Effekt-Sensor besteht aus einem empfindlichen Element, das mit einem in einem luftdichten Behälter befindlichen Magneten gekoppelt ist und die Änderung des Magnetfeldflusses bei Annäherung und Entfernung eines Körpers aus ferromagnetischem Material (Annäherung des Metalls) feststellt.

Das Gerät kann im Idealfall von Null bis zu einigen kHz arbeiten. Hall-Effekt-Bauelemente werden als Näherungssensoren, Positions-, Geschwindigkeits- und Stromsensoren eingesetzt. Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern sind sie eine langlebige Lösung, da es keine mechanischen Verschleißprobleme gibt.

Der bürstenlose Gleichstrommotor (DC Brushless Motor, BLDC) ist ein Gleichstrom-Elektromotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und einem rotierenden Magnetfeld-Stator. Anders als ein Bürstenmotor benötigt er daher keine elektrischen Schleifkontakte (Bürsten) auf der Motorwelle. Dies bedeutet einen geringeren mechanischen Widerstand und eine geringere Möglichkeit der Funkenbildung sowie eine erhebliche Reduzierung des Wartungsaufwands.

Ein sehr ähnlicher Motor ist der Schrittmotor, der sich vom bürstenlosen Motor dadurch unterscheidet, dass der Stator nicht ständig mit Strom versorgt wird, sondern zyklisch die verschiedenen Elektromagnete ansteuert, um eine Rotation zu erzeugen oder eine genaue Position zu erreichen. Beim bürstenlosen Motor hat der Rotor keine Wicklungen, sondern Dauermagnete. Das von den Wicklungen des Stators erzeugte Magnetfeld ist variabel.

Der Motor wird mit Gleichstrom betrieben. Damit das im Stator erzeugte Magnetfeld rotieren kann, steuert ein elektronischer Schaltkreis aus einer Reihe von Leistungstransistoren, die von einem Mikrocontroller kontrolliert werden, die Stromumschaltung und damit die Rotation des Magnetfelds.

Da der Controller die Position des Rotors in Bezug auf den Stator kennen muss, um die Ausrichtung des Magnetfelds zu bestimmen, ist er in der Regel an einen Hall-Effekt-Sensor angeschlossen. Der Wirkungsgrad dieser Maschinen ist im Durchschnitt höher als der von Asynchron-Gleichstrommotoren (Abbildung 1).
 

Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sind eine besondere Form von Synchronmotoren. Dabei haben die vom Rotor und vom Stator erzeugten Magnetfelder die gleiche Frequenz. Die BLDCs werden in drei Kategorien unterteilt: einphasig, zweiphasig und dreiphasig. Die Anzahl der Phasen entspricht der Anzahl der Wicklungen des Stators.

Motorantriebe

Der Motortreiber deckt einen breiten Anwendungsbereich in den verschiedensten industriellen und zivilen Bereichen ab, insbesondere bei elektronischen Instrumenten und verschiedenen Computerperipheriegeräten. Jede Anwendung stellt andere Anforderungen an die Leistung und die Eigenschaften, die erfüllt werden müssen, z. B. Geschwindigkeit, Steuerung, Drehmomentkontrolle. Positions- oder Geschwindigkeitsanpassung sind einige Anforderungen, die ein Steuersystem erfüllen muss; um diesen Eigenschaften gerecht zu werden, sind auf dem Markt eine Reihe von Steuermodulen für Gleichstrommotoren und Stepper erhältlich. Der Gleichstrommotor wird in der Automatisierung und Robotik eingesetzt; sein Funktionsprinzip beruht auf der Wechselwirkung zweier Magnetfelder, die Anziehung bzw. Abstoßung erzeugen (Stator und Rotor). Der Schrittmotor kommt in Präzisionsanwendungen zum Einsatz und benötigt Impulse, um angetrieben zu werden. Der Servomotor hingegen ist ein elektromechanisches System, das mit einem mechanischen Teil und einer Rückkopplungselektronik für den Antrieb ausgestattet ist; er benötigt ein entsprechendes Steuersystem, um bestimmte Operationen auszuführen.

Treiber-ICs

Die Entwickler stehen unter dem wachsenden Druck, die Effizienz ihrer Designs weiter zu verbessern und sich auf dem Markt von der Konkurrenz abzuheben. Dies kann zum Beispiel durch die Senkung des Gesamtenergieverbrauchs und die Optimierung des Wärmemanagements erreicht werden. Die Hauptfunktion innerhalb des Motors ist das Schalten, d. h. das Anlegen einer Spannung und der Stromfluss durch die Motorwicklungen zum genau richtigen Zeitpunkt. Das Schalten wird durch Algorithmen gesteuert, die sich auf einem Mikrocontroller oder einem digitalen Signalprozessor (DSP) befinden. Die Algorithmen zur Motorsteuerung sind in der Regel sehr anspruchsvoll, da sie unter verschiedenen Motorlastbedingungen die richtigen Schaltentscheidungen treffen müssen.

Zu den Merkmalen, mit denen sich Projekte vereinfachen lassen, zählen integrierte Leistungs-MOSFETs sowie eine Architektur mit extrem niedrigem Stromverbrauch, die eine integrierte Strombegrenzung und einen flexiblen Stromregelungsmodus bietet. Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen wie Überspannungs-, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz sowie Fehlerdiagnose gewährleisten eine hohe Leistung.

Der Vollbrückentreiber MAX14871 bietet eine stromsparende Lösung für den Spannungsbereich zwischen 4,5 V und 36 V. Dieser Treiber reduziert die Verlustleistung und bietet ein ladungsfreies Design für weniger externe Komponenten und eine niedrige Stromversorgung. Für die integrierte Stromregelung sind nur sehr wenige externe Komponenten erforderlich, und es stehen drei Einstellmodi zur Verfügung (Abbildung 2).
 

Angesichts der steigenden Anforderungen an Energieeinsparungen und den geräuscharmen Betrieb von Motoren in verschiedenen Anwendungen sind bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) für zahlreiche Einsatzbereiche geeignet. Zur Effizienzsteigerung nutzen die Steuerungen von Toshiba die InPAC-Technologie (Intelligent Phase Control). Die InPAC-Technologie von Toshiba vergleicht die Beziehung zwischen der Stromphase (Strominformationen) und der Spannungsphase (Hall-Effekt-Signal) und liefert eine Rückmeldung an das Motorstrom-Steuersignal, um die Phase automatisch anzupassen. Die integrierten Schaltkreise TC78B0 von Toshiba sind für die Steuerung der Motordrehzahl durch Modifizierung des PWM-Arbeitszyklus konzipiert. Diese Bauelemente besitzen einen dreiphasigen Vollwellenantrieb, einen sinusförmigen PWM-Antrieb, eine Schaltung zur Erkennung von Überstrom und eine Thermoabschaltung.

Der TC78B015FTG arbeitet mit einer Spannungsversorgung zwischen 6 V und 22 V. Das Modell TC78B015AFTG benötigt eine Spannungsversorgung von 6 V bis 30 V. Beide Bauelemente unterstützen Ausgangsströme von bis zu 3 A und Hall-Effekt-Bauelemente; zudem bieten sie eine Reihe von Schutzfunktionen, darunter thermische Abschaltung, Überstromerkennung und Motorblockadeerkennung (Abbildung 3).

ON Semiconductor bietet seinen Treiber STK984-090A für dreiphasige bürstenlose Gleichstrommotoren auf Basis eines Leistungs-MOSFET an. Der STK984-090A-E verfügt über einen integrierten Shunt-Widerstand und Thermistor. Außerdem sind verschiedene Schutzfunktionen gegen Übertemperatur, Überstrom, Überspannung und Unterspannung integriert. Die Antriebsschaltung für BLDC-Motoren kann auf einer kleineren Leiterplattenfläche effizient aufgebaut werden (Abbildung 4).
 

Um die Größe und das Gewicht von Motorantriebsanwendungen zu reduzieren, hat Texas Instruments DRV832x Gate-Treiber auf den Markt gebracht. Diese Treiber basieren auf einer intelligenten Gate-Drive-Architektur, die viele klassische Bauelemente überflüssig macht. Mit den Treibern kann der Steuerstrom so eingestellt werden, dass die Verlustleistung und die EMV optimiert werden. Die Treiber werden mit oder ohne Abwärtsregler oder mit drei integrierten Strom-Shunt-Verstärkern angeboten. Jede Option ist in Versionen mit einer seriellen Diagnoseschnittstelle erhältlich (Abbildungen 5 und 6).