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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ersatzschaltung für sensorlosen BLDC-Motor


Autor: Chris W. (weippy)
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Hallo zusammen,

ich bin momentan mit meiner Diplomarbeit beschäftigt. Dabei muss ich ein 
Steuergerät, welches einen sensorlosen EC-Motor ansteuert in Betrieb 
nehmen. Nun habe ich vor den originalen EC-Motor durch eine einfache 
Ersatzschaltung zu ersetzen. Was muss ich dabei alles beachten? Reicht 
es, wenn ich die 3 Phasen durch eine RL-Last nachbilde und zur Erzeugung 
der Drehbewegung die induzierte BEMF auf der jeweils nicht bestromten 
Phase dem Steuergerät zur Verfügung stelle? Wie könnte ich das machen? 
Hab mich bisher leider noch nicht mit den physikalischen Eigenschaften 
in der Maschine beschäftigt. Ändern sich die Widerstände, Induktivitäten 
und andere Größen in Abhängigkeit der Drehzahl? Wie komplex wird so eine 
Ersatzschaltung?

Bin für jede Antwort dankbar.

Gruß Weippy

Autor: Jürgen H. (nobody)
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Im großen und ganzen ist es eine Drehstrommaschine.
Die zu simulieren wird nicht ganz einfach sein!

Gruß
Jürgen

Autor: hmm (Gast)
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>Hab mich bisher leider noch nicht mit den physikalischen Eigenschaften
in der Maschine beschäftigt.

Ein Modell sollte irgendwie phyikalisch relevant sein. Zeichnen kann man 
irgendwas, irgenwelche Parameter rein, die simulation anwerfen und dann 
kann man den Korken knallen lassen ...ob's was taugt ist eine andere 
Frage. Will damit sagen, ohne das Ding mal auzuschauen, und ein paar 
Messungen zu machen wir es nicht gehen.

Autor: Chris W. (weippy)
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Also mir geht es hauptsächlich darum darzustellen warum eine reale 
Motorsimulation (mit Leistungsteil: reale Ströme und Spannungen, kein 
Simulink-Modell) so schwer ist und warum man sie nicht eben kurz, ohne 
Erfahrung auf dem Gebiet, in 4 Wochen machen kann. Ich habe 
Motorsimulationen von dSpace und SET gefunden. Die liegen aber bei ca. 
10000€ pro Motor. Eine genaue Beschreibung was da alles berücksichtigt 
wird und wie die Modelle aufgebaut sind ist da leider nicht dabei. Mit 
den grundlegenden Daten des Motors hab ich mich schon befasst und mit 
Messungen hinterlegt: 3 Phasen in Sternschaltung, U~12V, I_Anlauf~30A, 
I_Betrieb~8A, Polpaarzahl 1, Frequenz der PWM 20KHz, Drehzahl bis ~11000 
U/min, Wicklungswiderstand Phase-Stern: 0,1 Ohm.
Das Steuergerät misst nur die BEMF und den Strom in der Zuleitung. Die 
Ströme in den Phasen werden nur an der Leistungshalbbrücke "als Spannung 
gemessen" und dadurch überwacht.
Weiss viell. noch jmd. was technisch an einer Simulation eines BLDC so 
schwer ist? Erzeugung/Einspeisung der BEMF...?

Danke.

Gruß Weippy

Autor: hmm (Gast)
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Das sind alles statische und phenomenologische Daten. Wie ist zum 
Beispiel der Zusammenhang zwischen Polradwinkel, Drehmoment und Strom ? 
Und wie entwickeln sich diese Werte mit der Drehzahl ?

Autor: hmm (Gast)
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Aeh, ja. Und nicht phenomenologisch betrachtet, waeren 
Massentraegheitsmoment, und der Zusammenhang 
Feld-absolut_Winkel-Drehmoment, der Zusammenhang Strom-Feld-Drehzahl, 
usw. von Interesse. Die Modelle dazu sind unterschiedlich kompliziert.

Autor: C. H. (_ch_)
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Ein wesentlicher Punkt ist auch, WIE dein Steuergerät den Motor 
'sensorlos' ansteuert, d.h. wird nur die BEMF der induzierten Spannung 
ausgewertet oder läuft da eine feldorientierte Regelung, die sich die 
Rotorlage aus Strom und Spannung errechnet?
Erster Fall wird leichter zu 'faken' sein, für zweiteren brauchst du 
wirklich ein gutes Modell.

Gruß
Christian

Autor: Chris W. (weippy)
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Vielen Dank. Das hilft mir alles schon weiter. Werte für den 
Zusammenhang zwischen Polradwinkel, Drehmoment, Strom, Trägheitsmoment 
usw. weiss ich nämlich nicht. Genauso wenig wie die Abhängigkeit von der 
Drehzahl, oder das genaue Regelverfahren. Steuergerät und Motor kommen 
nämlich von einem Zulieferer und der wiederum bekommt den Motor selbst 
von nem anderen Zulieferer. Deswegen weiss auch niemand wirklich über 
die Daten Bescheid. Das sind alles gute Gründe um meinen Betreuer davon 
zu überzeugen, dass ich in der kurzen Zeit kein Modell machen kann, dass 
die originale Maschine, inklusive einer variablen Lasterzeugung, gut 
nachstellen kann.

Meine eigtl. Aufgabe ist es nämlich das Steuergerät an einem 
HIL-Prüfstand in Betrieb zu nehmen (mit CAN ansteuern, verschiedene 
Testfälle programmieren...) und zu prüfen welche 
Modellierungsmöglichkeiten es gibt um den EC-Motor zu belasten. Ich habe 
nun vor den originalen EC-Motor zu verwenden und diesen mit einem 
anderen Motor und Widerstandsbremsung (Stromsenke) zu belasten. Damit 
kann ich die Maschine / das Steuergerät dann auch unter verschiedenen 
programmierbaren Lastfällen betreiben und testen. Eine tolle 
elektronische Last wäre meinem Prof. natürlich am Liebsten, aber dafür 
verlangen manche Firmen 10K€. Dann kann ich das nicht in den 2 Monaten 
die ich noch Zeit habe machen.

Für weitere Infos und Gründe warum ich mit den bekannten Daten kein 
Modell machen kann, oder wie es doch ganz einfach gehn könnte, bin ich 
natürlich dankbar.

Gruß Weippy

Autor: hmm (Gast)
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Minimalist. So schwierig ist es nun auch nicht. Mach ein paar Messungen, 
ein Polynom hindurch und gut ist. Nach einem Tag sollte man etwas 
Brauchbares haben.

Autor: hmm (Gast)
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Eine elektronische Last ist uebrigens auch was Triviales. Hat man auch 
in einem Tag aufm Steckbrett.

Autor: C. H. (_ch_)
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@ Chris W.
Na ja, die groben Maschinenparameter hat man ja mit ein paar Messungen 
an einem Tag raus. ( Polpaarzahl, induzierte Spannung, Induktivität, 
Innenwiderstand etc)
Wenn du den EC-Motor antreibst und die induzierte Spg misst, kannst du 
anhand der Spannungsform auf die Magnetisierung/Wicklungsaufbau 
schließen.
Trapezförmige Spg deutet auf eine blockkommutierte Ansteuerung hin, eher 
sinusförmige Spg ist ein Indiz für ein feldorientiert geregeltes System 
(ACHTUNG! Pi-mal-Daumen Aussage!!!)
Das Regelverfahren kann man auch erahnen, wenn man die 
Betriebsbedingungen etc kennt.

Bei elektronischen Lasten zahlt man für Präzission und 
Reaktionsgeschwindigkeit.
Für deine Anwendung würde wie 'hmm' schon geschrieben hat was 
selbstgebasteltes durchaus reichen. Deine Zeitkonstante des Systems wird 
sehr wahrscheinlich durch die Massenträgheit der zwei gekoppelten 
Maschinen bestimmt, nicht durch die elektrischen Werte.

Autor: hmm (Gast)
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Elektronische Lasten werden kompliziert und teuer wenn es um hohe 
Dauerleistung geht. Dann moechte man dann Rueckspeisen und nicht 
verheizen. Aber fuer einen kleinen Test kann man immer verheizen und ab 
100Watt auf Wasser gehen.

Autor: Chris W. (weippy)
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Ein paar Messungen und dann ein Polynom hindurch hört sich einfach an. 
Wenn man sowas aber vorher noch nie gemacht hat und kein Plan hat wie 
das gehen soll wirds schwer. Also die Maschine wird blockkommutiert 
angesteuert. Die BEMF ist trapezförmig. Das Steuergerät verwendet einen 
PID-Regler. Aber wie gesagt: Das Steuergerät ist für mich erst mal als 
"Black Box" zu betrachten. Muss das nur über CAN ansteuern. Was dann 
darin alles abläuft ist nicht von primärem Interesse. Außer ich brauch 
es natürlich für ein Modell. Mir gehts erst mal nur um die realitätsnahe 
Motorsimulation MIT steuerbarer Lasterzeugung. Da es eine sensorlose 
Maschine ist muss ich die BEMF natürlich auch erzeugen. Denke die BEMF 
und die Lasterzeugung sind der schwerste Part. Was muss man denn beim 
Aufbau einer elektronischen Last alles beachten? Gibts dafür irgendwo 
Schaltpläne? Wie wird dabei das dynamische, drehzahlabhängige Verhalten 
berücksichtigt. Die Parameter ändern sich ja beim Betrieb. Die Erzeugung 
der BEMF wird bestimmt auch nicht einfach. Bei 12000 U/min und 6 
Kommutierungsvorgängen pro Umdrehung sind das 1200 Kommutierungsvorgänge 
pro Sekunde. Wenn ich die Maschine dann beschleunigen/bremsen will muss 
sich die Einspeisung der BEMF ja auch dynamisch ändern!?

Fragen über Fragen...

Autor: hmm (Gast)
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So schwierig ist das nun auch wieder nicht. Ein BLDC ist eine konstant 
erregte Synchronmaschine. Hat daher die Eigenschaften einer DC Maschine 
: Die EMF ist proportional zur Drehzahl, da das Feld konstant ist. Dazu 
kommt ein konstanter Innnenwiderstand und der Strom ist proportional zum 
Drehmoment. Die Kommutatorspannung faellt weg.
Und hat die Eigenschaften einer Synchronmaschine :
Das Drehmoment ist eine Frage des Polradwinkels. Bei Untererregung ist 
die Maschine induktiv, bei Uebererregung kapazitiv.
Ich wuerd die Maschine mal als Generator betreiben, und mit einem 
Akkuschrauber antreiben. So kann man sich den Zusammenhang der Spannung 
zu Drehzahl und den Zusammenhang Strom zu Drehmoment anschauen. Zu 
Beginn einfach mal Ohmsch belasten.
Dann, wenn die Ansteuerelektronik steht, einen Encoder auf die Achse und 
mit dem Polradwinkel spielen. Dann sieht man welche Groese man hat, und 
welche Groesse man simulieren kann/muss um auf den Polradwinkel zu 
kommen, das nennt sich dann Beobachter fuer den Polradwinkel.

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