Drehzahlregelung des BLDC-Motors: Open-Loop, Closed-Loop und PID erklärt

Warum BLDC-Motoren eine aktive Drehzahlregelung benötigen

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor verlangsamt oder beschleunigt auf ziemlich direkte Weise – ändern Sie die Spannung an den Bürsten, und der Motor reagiert. Ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) bietet diesen Luxus nicht. Ohne Bürsten und einen mechanischen Kommutator muss etwas anderes entscheiden, welche Wicklung zu welchem ​​Zeitpunkt mit Strom versorgt wird, und dasselbe System ist letztendlich auch für die Geschwindigkeit verantwortlich.

Dieses „etwas anderes“ ist die Motorsteuerung. Es schaltet den Strom durch die drei Phasenwicklungen in der richtigen Reihenfolge, um den Motor am Laufen zu halten, und indem es die Art und Weise dieses Umschaltens anpasst, legt es auch fest, wie schnell sich der Rotor dreht. Wenn die Steuerstrategie falsch ist, kann der Motor entweder nicht die gewünschte Geschwindigkeit erreichen oder er pendelt und schwingt, anstatt stabil zu bleiben – ein Problem, das ständig auftritt Nabenmotoren werden üblicherweise mit geschwindigkeitsgeregelten BLDC-Antrieben kombiniert bei E-Bikes und leichten Elektrofahrzeugen, bei denen Fahrer erwarten, dass sich die Gasannahme unmittelbar und linear anfühlt.

Drehzahlregelung mit offenem Regelkreis: PWM-Arbeitszyklus

Die einfachste Möglichkeit, die Drehzahl eines BLDC-Motors zu steuern, ist die Steuerung im offenen Regelkreis: Der Controller passt den Arbeitszyklus der Pulsweitenmodulation (PWM) an, der die Leistungstransistoren speist, wodurch sich die an die Wicklungen angelegte durchschnittliche Spannung ändert, wodurch sich die Drehzahl ändert. Höherer Arbeitszyklus, durchschnittlichere Spannung, schnellerer Spin. Keine Rückkopplungsschleife prüft, ob der Motor tatsächlich die angeforderte Geschwindigkeit erreicht hat – die Steuerung befiehlt lediglich einen Arbeitszyklus und vertraut darauf, dass der Motor folgt.

Dieser Ansatz ist weit verbreitet, da er kostengünstig und einfach zu implementieren ist Anwendungsleitfaden von Texas Instruments zur sensorgesteuerten BLDC-Steuerung weist darauf hin, dass es insbesondere in Systemen gut funktioniert, in denen die Beziehung zwischen Eingabe und resultierender Geschwindigkeit vorhersehbar ist und eine enge Verfolgung nicht kritisch ist. Der Kompromiss zeigt sich bei variabler Last: Ohne Rückmeldung führt ein plötzlicher Lastanstieg zu einem Rückgang der Geschwindigkeit, und der Controller weiß nicht, ob er einen Ausgleich leisten muss.

Drehzahlregelung mit geschlossenem Regelkreis: Hall-Sensoren und Feedback

Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis löst diesen toten Winkel, indem sie ein Rückkopplungssignal hinzufügt – normalerweise von Hall-Effekt-Sensoren, die bereits für die Kommutierung vorhanden sind, manchmal von einem speziellen Encoder. Der Controller vergleicht kontinuierlich die tatsächliche Geschwindigkeit mit dem Ziel, berechnet den Fehler und passt den PWM-Arbeitszyklus in Echtzeit an, um die Lücke zu schließen.

Da Hall-Sensoren bereits die Rotorposition zu Kommutierungszwecken melden, verursacht die Ableitung der Geschwindigkeit aus dem Timing zwischen Hall-Zustandsübergängen nur geringe zusätzliche Hardwarekosten. Daher ist die Hall-basierte Regelung mit geschlossenem Regelkreis die Standardwahl für die meisten kommerziellen BLDC-Anwendungen – sie hält die Geschwindigkeit bei Laständerungen konstant, ohne dass ein separater Geschwindigkeitssensor erforderlich ist.

PI- und PID-Regelung: Die Algorithmen hinter der Präzision im geschlossenen Regelkreis

Die Mathematik innerhalb der Regelung läuft normalerweise darauf hinaus, dass ein PI- oder PID-Regler auf den Fehler zwischen Soll- und Ist-Geschwindigkeit einwirkt.

Ein PI-Regler (Proportional-Integral) kombiniert einen Proportionalterm, der auf den aktuellen Fehler reagiert, mit einem Integralterm, der vergangene Fehler über die Zeit akkumuliert, wodurch der kleine stationäre Offset eliminiert wird, den ein Proportionalterm allein hinterlassen würde. Durch Hinzufügen eines Ableitungsterms wird daraus ein vollständiger PID-Regler, der auch auf die Änderungsrate des Fehlers reagiert – nützlich zur Dämpfung von Überschwingern in Systemen, die sich schnell auf eine Zielgeschwindigkeit einpendeln müssen, ohne darüber hinaus zu schwingen.

Die PI-Regelung ist in der Regel die praktische Standardeinstellung für die allgemeine Geschwindigkeitsregelung, da sie einfacher abzustimmen und weniger empfindlich gegenüber Sensorrauschen ist als eine vollständige PID-Schleife. PID erhält seine besondere Komplexität bei Anwendungen wie Robotik oder Drohnen, bei denen schnelles und präzises Einschwingen auf eine neue Geschwindigkeit wichtiger ist als einfache Abstimmung.

Wie sich die Wahl des Controllers auf die Qualität der Geschwindigkeitsregelung in der Praxis auswirkt

Der Steueralgorithmus ist nur so gut wie die Hardware, die ihn ausführt. Ein Regler mit einem langsamen Regelkreis oder einer schlechten Stromerfassung wird auch bei gut abgestimmten PID-Verstärkungen immer noch pendeln und zurückbleiben, weshalb die Reaktionsgeschwindigkeit als Hardware-Spezifikation und nicht nur als Software-Spezifikation wichtig ist. Ein reaktionsschneller Controller, der auf eine schnelle Geschwindigkeitskorrektur abgestimmt ist Verkürzt die Verzögerung zwischen einer Laständerung und der kompensierenden Reaktion des Controllers, die tatsächlich bestimmt, wie stabil sich der Motor bei realen Lastschwankungen anfühlt, und nicht bei einem reinen Prüfstandstest.

Die PWM-Schaltfrequenz und ihre Interaktion mit den Motorwicklungen wirken sich auch auf die akustische und mechanische Seite der Geschwindigkeitsregelung aus – ein schlecht abgestimmtes Schaltschema kann ein Jammern oder Vibrationen erzeugen, die sich mit der Änderung des Arbeitszyklus verschlimmern. Ein extrem leiser Controller, der das PWM-Schaltgeräusch bei hoher Geschwindigkeit niedrig hält geht das direkt an, was bei Verbraucheranwendungen von Bedeutung ist, bei denen hörbare Motorgeräusche ebenso ein Grund für Beschwerden sind wie reine Leistung.

Anpassung des Controllers an den Motor für eine zuverlässige Geschwindigkeitsregelung

Selbst ein gut konzipierter Regler mit geschlossenem Regelkreis kann eine Diskrepanz zwischen seinem Nennstrom, der Hall-Sensor-Konfiguration und dem von ihm angetriebenen Motor nicht ausgleichen. Polzahl, Phasenwiderstand und Sensor-Timing beeinflussen alle, wie sauber ein Controller Rückmeldungen lesen und reagieren kann, und eine nicht übereinstimmende Paarung zeigt sich als unruhiger Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit, übermäßige Hitze oder Geschwindigkeitsregelung, die sich nie ganz stabilisiert. Unser Controller- und Motor-Pairing-Leitfaden Hier erfahren Sie, wie Sie überprüfen können, ob die Spezifikationen eines Controllers tatsächlich zu dem Motor passen, den er antreiben soll, bevor diese Probleme im Feld auftreten.

Für Leser, die tiefer in die Implementierung des Steueralgorithmus selbst in der Firmware eintauchen möchten: Unser tieferer Blick auf die Softwareschicht hinter modernen Motorsteuerungen behandelt, wie diese Regelkreise auf Firmware-Ebene strukturiert und abgestimmt sind.