Entwurf von Reglern und Steuerungslogiken für elektronische Umrichter

BLDC-Motorregelung

Entwicklung von Algorithmen zur BLDC-Motorregelung mithilfe der Simulation

Elektronisch kommutierte oder „bürstenlose“ Motoren werden immer beliebter, weil sie eine höhere elektrische Effizienz und ein besseres Drehmoment-Gewicht-Verhältnis bieten als mechanisch kommutierte Motoren mit Bürsten. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) werden im Allgemeinen als Permanenterregte-Synchronmaschinen (PMSMs) definiert, die aufgrund der Konzentration der Statorwicklungen eine trapezförmige Gegen-EMK (elektronische Kraft) zeigen. Dies unterscheidet BLDC-Motoren von PMSM-Motoren, die aufgrund verteilter Statorwicklungen eine sinusförmige Gegen-EMK zeigen.

MATLAB-Animation zum Vergleich des Betriebs von BLDC-und PMSM-Motoren. Die Animation basiert auf Simulationsergebnissen vom Simscape Electrical-Modell.

Für bürstenlose Gleichstrommotoren wird im Allgemeinen eine trapezförmige Ansteuerung verwendet, aber auch eine feldorientierte Regelung ist möglich. Für PMSM-Motoren wird im Allgemeinen nur eine feldorientierte Regelung verwendet. Die trapezförmige Ansteuerung von BLDC-Motoren ist eine einfachere Technik als die feldorientierte Regelung; bei ihr führen jeweils nur zwei Phasen Spannung. Für die Drehmomentregelung ist nur ein einziger PID-Regler erforderlich, und anders als bei der feldorientierten Steuerung sind keine Park- und Clarke-Koordinatentransformationen erforderlich.

MATLAB-Animation zum Vergleich des Betriebs von BLDC-Motoren mit ein und zwei Polpaaren. Die Animation basiert auf Simulationsergebnissen vom Simscape Electrical-Modell.

Ingenieure, die eine trapezförmige Ansteuerung für einen BLDC-Motor entwerfen, führen die folgenden Schritte durch:

  • Entwicklung einer Regelerarchitektur mit einem PI-Regler für den inneren Strom/ Spannungsregelkreis
  • Entwicklung von PI-Reglern für die optionalen äußeren Geschwindigkeits- und Positionsregelkreis
  • Optimierung der Verstärkungen aller PI-Regler, um Leistungsanforderungen zu erfüllen
  • Entwurf der PWM-Ansteuerung
  • Entwurf der Logik für Fehlererkennung und -schutz
  • Verifikation und Validierung der Reglerleistung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen
  • Implementierung der Regelung mit Fest- oder Gleitkomma-Berechnungen auf einem Microcontroller

Beim Entwurf einer BLDC-Motorregelung mit Simulink® kann man mit Hilfe der Multiraten-Simulation Steuerungsalgorithmen entwerfen, optimieren und verifizieren sowie Fehler über den gesamten Betriebsbereich des Motors bereits vor Hardware-Tests erkennen und korrigieren. Mit Simulationen in Simulink lässt sich der Aufwand für Prototypentests reduzieren und die Robustheit von Algorithmen gegenüber Fehlerbedingungen überprüfen, für die Hardware-Tests nicht geeignet wären. Man kann:

  • einen BLDC-Motor mit einer trapezförmigen oder alternativen Gegen-EMK modellieren
  • Stromregler, Geschwindigkeitsregler und Modulatoren modellieren
  • Leistungselektronik mit Stromrichtern modellieren
  • Regelungsverstärkungen eines BLDC-Motors mithilfe von Entwurfstechniken für lineare Regelungssystemen optimieren, beispielsweise mit Bode-Diagrammen sowie Wurzelortskurvenverfahren und Techniken wie der automatisierten PID-Optimierung
  • Hochlauf, Abschaltung und Fehlermodi modellieren sowie Stromreduzierungs- und Schutzlogiken entwerfen, um für einen sicheren Betrieb zu sorgen
  • Algorithmen zur Signalaufbereitung und -verarbeitung für die E/A-Kanäle entwerfen
  • geschlossene Simulationen des Motors und der Steuerung und Regelung ausführen, um die Systemleistung in normalen und abnormen Betriebsszenarien zu testen
  • ANSI-, ISO- oder prozessoroptimierten C-Code und HDL-Code für Rapid Prototyping, Hardware-in-the-Loop-Tests und die Serienimplementierung automatisch generieren

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