Brushless-Controller für Modellbaumotoren

2012-05-18T14:33:00Z

141.3.221.208: /* Software */

== Einleitung ==

Im Internet gibt es einige grundlegende Informationen zur Funktionsweise und Ansteuerung von Brushless-Motoren (BLDC). Für die Entwicklung eines solchen Reglers findet man aber nur wenig richtig detaillierte Informationen und Erfahrungsberichte. In diesem Artikel sollen genau diese Lücken geschlossen werden. Es soll hier aber kein fertiges Produkt (Schaltplan + Layout + Software) angeboten werden. Viel mehr soll es die Eigenentwicklung unterstützen, Ideen und Erfahrungen anbieten.

An dieser Stelle weise ich noch darauf hin, dass man bei den [[#Weblinks]] noch einige sehr gute Informationen findet! Es gibt dort Hardware und Software, es lohnt sich die Links mal anzuschauen.

==== Um welche Motoren geht es genau? ====

Es geht hier um die sogenannten elektrisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) aus dem Modellbaubereich.

Deren Eigenschaften sind:
* Haben drei Anschlüsse für die drei Phasen, ansonsten sind keine weiteren Anschlüsse vorhanden
* Werden in der Regel mit LiPo Akkus versorgt
* Leistung im Bereich von ca. 100W bis 2kW
* Spannungen im Bereich von ca. 10 bis 50V
* Ströme im Bereich von ca. 5 bis 120A

==== Um welche Motoren geht es hier nicht? ====

* Motoren mit Hallsensoren für die Rückmeldung
* Festplattenmotoren

Unter Umständen kann aber dieser Artikel auch für solche Motoren nützlich sein.

== Funktionsweise dieser Motoren ==

=== Ansteuerung ===

[[Datei:BLDC_Spannungs_Diagramm.png|thumb|right|250px|Ansteuerung der 3 Phasen]]

Grundsätzlich werden die 3 Phasen nacheinander bestromt, die Phasenspannungen wären also drei um 120° phasenverschobene Rechteckspannungen. Ein sinusförmiger Drehstrom ist nicht nötig, es genügen Rechteckspannungen. Mit einer Raumzeigermodulation könnte man die Stromaufnahme und die Geräuschentwicklung zwar noch verringern, macht die Ansteuerung aber einiges aufwändiger. Sogar die käuflichen Regler arbeiten nur mit Rechtecksignalen, zumindest die die ich kenne.

Dabei gibt es für jede Phase die Zustände „Low“, „High“ und „Floating“. Low bedeutet 0V (GND), High entspricht der Versorgungsspannung und Floating ist keines von beidem, die Phase „hängt in der Luft“. Bei „High“ wird aber noch der Mittelwert der Spannung per PWM eingestellt, über das Tastverhältnis wird schlussendlich die Drehzahl verändert! Dazu aber später mehr.

In der Grafik rechts kann man den Spannungsverlauf sehr gut erkennen. Das Diagramm zeigt aber nur den theoretischen Verlauf der Spannungen, wobei die gestrichelten Linien den Zustand "floating" symbolisieren. Dies kann man in einem Diagramm ja nicht wirklich darstellen, das ist einfach symbolisch gemeint. Interessanterweise sehen die Spannungen aufgrund der BEMF aber tatsächlich ziemlich ähnlich aus wie im Diagramm!

=== Die 6 Zustände ===

Wie man erkennen kann, werden 6 Zustände gebraucht, die sich dann immer wiederholen. Die Kommutierung ist also einfach ein Weiterschalten des Zustandes.
''Diese 6 Zustände sind nicht mit den drei Zuständen von oben (High, Low, Floating) zu verwechseln, das ist ein anderes Thema!''

In einer Tabelle dargestellt würde das folgendermassen aussehen:

{| class="wikitable"
! Zustand || Phase A || Phase B || Phase C || Stromfluss || Komparator-Eingänge
|-
| 1 || PWM || Floating || GND || A --> C || MITTEL <--> NULL_B
|-
| 2 || Floating || PWM || GND || B --> C || MITTEL <--> NULL_A
|-
| 3 || GND || PWM || Floating || B --> A || MITTEL <--> NULL_C
|-
| 4 || GND || Floating || PWM || C --> A || MITTEL <--> NULL_B
|-
| 5 || Floating || GND || PWM || C --> B || MITTEL <--> NULL_A
|-
| 6 || PWM || GND || Floating || A --> B || MITTEL <--> NULL_C
|}

Hinweise:
* Die Nummern in der ersten Spalte entsprechen genau den sechs Zuständen, die auch im obigen Diagramm nummeriert sind (Alle 6 Zustände zusammen bilden einen Zyklus, wie es auch im Diagramm dargestellt ist)
* Den Inhalt der letzten Spalte wird später noch erläutert. Die Bezeichnungen beziehen sich auf die [[#BEMF-Schaltung]].

=== Einsatz der BEMF ===
Das schaut bis jetzt eigentlich wie ein Synchronmotor oder Schrittmotor aus, was ein BLDC aber definitiv <u>nicht</u> ist!

Wie schon erwähnt wurde, wird ein BLDC elektronisch kommutiert. Das heisst, die Kommutierung wird nicht einfach stur vorgegeben, sondern es wird immer Rücksicht auf die Ankerposition genommen. Dazu muss man allerdings wissen, wann man die Kommutierung genau auslösen soll.

'''[Wer hat eine gute Erklärung, wo dieser ideale Zeitpunkt genau liegt?]'''

Und hier kommt die sogenannte Back Electromotive Force (BEMF) zum Einsatz. Von den drei Phasen liegt ja zu jedem Zeitpunkt genau eine Phase in der Luft wie man am Diagramm oben erkennen kann. Aufgrund des drehenden Magnetfeldes im Motor wird an dieser Phase nun eine Spannung induziert. Und genau diese induzierte Spannung gibt nun Auskunft darüber, in welchem Winkel sich der Anker befindet, und daraus kann man dann auch den Zeitpunkt der nächsten Kommutierung bestimmen.

Zusätzlich wird aber auch noch die Sternmittelpunktspannung der drei Phasen benötigt, welche aber leider nicht direkt zur Verfügung steht. Das ist aber kein Problem, mit drei Widerständen kann man sich die selber erzeugen (siehe [[#BEMF-Schaltung]]).

Jetzt sollten die BEMF-Spannungen die Sternmittelpunktspannung ständig kreuzen, was man dann mit einem Komparator erfassen kann. Und den Interrupt, den der Komparator auslöst, ist nun verantwortlich für die nächste Kommutierung.
Der Komparator wird natürlich nacheinander mit den drei Phasen gefüttert, es darf immer nur die Phase an den Komparator angeschlossen sein, die auch in der Luft hängt! In der Tabelle [[#Die 6 Zustände]] sieht man, welche zwei Spannungen der Komparator jeweils vergleichen muss.

Als Komparator kann man übrigens den integrierten nehmen, den es in den AVRs gibt. Diese (alle?) haben auch den benötigten Multiplexer, um zwischen den drei Analogquellen wählen zu können. Näheres dazu im Abschnitt [[#Software]].

== Hardware ==

=== Leistungsteil ===

==== Treiber ====

Um die drei notwendigen Zustände (''Low'', ''High'' und ''Floating'') für jede der drei Phasen realisieren zu können, werden drei Halbbrücken mit Mosfets benötigt. Hier gibt es dann auch schon mehrere Varianten, wie man das aufbauen kann. Grundsätzlich muss man sich mal überlegen ob fertige FET-Treiber oder diskrete Treiber verwendet werden sollen. Die FET-Treiber haben einige sehr schöne Vorteile, deshalb sollte man diese meiner Meinung nach bevorzugen.

Die Vorteile wären:

* Integrierter Kurzschlussschutz mit dead time, ein Softwarefehler kann die FETs nicht zerstören. Das kann in der Entwicklungsphase sehr von Vorteil sein :-)
* Die FETs können mit ordentlicher Geschwindigkeit geschaltet werden, und die Mikrocontroller-Ports werden trotzdem nicht stark belastet. So kann die Wärmeentwicklung der FETs noch etwas reduziert werden.
* Bei Treibern die mit nur einem Eingang zwischen Lowside und Highside Mosfets toggeln (z.B. IR2104), ist der sogenannte „aktiver Freilauf“ bereits in Hardware realisiert und ermöglicht so mit wenig Aufwand eine extrem niedrige Erwärmung der Mosfets. Das ermöglicht schon sehr grosse Ströme auch ohne Kühlkörper!
* Es können günstigere Mosfets verwendet werden, es müssen keine TTL-Kompatible FETs sein. Auch ist eine niedrige Gatekapazität nicht so von Bedeutung wie bei direkter Ansteuerung mit einem Mikrocontroller.
* Je nach dem welchen Treiber man verwendet, kann der Softwareaufwand und die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert werden.

Nachteile von Treiber sind:

* Mehr Bauteile auf der Platine.
* Vermutlich insgesamt etwas teurer, auch wenn die FETs günstiger sind.
* Bei vielen Treibern ist eine Minimalspannung von ca. 10V notwendig, damit sie funktionieren. Bei einem fast leeren 3S LiPo Akku könnte das vielleicht schon kritisch werden. Auch darf z.B. beim IR2104 eine Spannung von 20V nicht überschritten werden. Daher kommt (ohne StepUp und StepDown Wandler) eigentlich fast nur noch ein 4S Akku in Frage. Möchte man einen grösseren Eingangsspannungsbereich haben muss man noch entsprechende Spannungsregler einbauen.

Ich persönlich habe es schon mit einem IR2104S probiert, dieser erscheint mir sehr geeignet für diese Aufgabe. Ich betreibe ihn mit einem 4S LiPo, damit läuft das Teil perfekt. Kann ich nur weiterempfehlen!

==== Beispielschaltung ====
[[Datei:BLDC_Leistungsteil_1.png|thumb|right|300px|Beispiel einer Halbbrücke inklusive Strommessung]]
Hier ein Beispiel, wie der Leistungsteil einer Phase aussehen könnte.

Für die exakte Beschaltung der Treiber muss man natürlich dessen Datenblatt studieren!

Hier sieht man auch gleich noch die Strommessung, die man natürlich nicht für jede Phase einzeln aufbauen muss. Man kann sie sogar ganz weglassen, sie könnte aber nützlich sein um eine Überlast des Motores erkennen zu können.

Der Widerstand R20 ist dazu da, dass auf dem Treiber das PWM-Signal liegt, sobald die Leitung „IN_A“ in der Luft hängt (uC Pin als Eingang definiert). So wird nur ein einziger PWM-Ausgang vom Mikrocontroller benötigt für alle drei Phasen, erfordert also kein Soft-PWM oder sonst irgend ein Murks. Diese Schaltung habe ich übrigens beim Mikrokopter-Projekt abgeschaut.

Übrigens muss an die Versorgung unbedingt noch ein grosser Elko gehängt werden, am besten möglichst nahe an die Mosfets (keine langen Leitungen zwischen Elko und Mosfets). Die erforderliche Kapazität hängt davon ab, wieviel Strom der Motor braucht. bei kleinen bis mittleren Motoren sollten so 220uF bis 680uF ausreichend sein.

=== BEMF-Schaltung ===

[[Datei:BLDC_BEMF_schaltung.png|thumb|right|300px|BEMF-Schaltung]]

Ein wichtiger Teil ist aber auch die BEMF-Schaltung. Dabei wird häufig die Schaltung vom Mikrokopter eingesetzt (siehe Schaltung rechts).

Die Schaltung besteht erstmal aus drei Spannungsteilern, die die Phasenspannungen auf ein Spannungsniveau heruntersetzen, das man auf die Mikrokontrollereingänge legen darf. Keramikkondensatoren glätten diese Spannungen, weil die aufgrund der PWM sonst sehr stark ausschlagen. Dann gehen diese drei Spannungen (''NULL_A'', ''NULL_B'' und ''NULL_C'') auf drei ADC-Eingänge des Mikrocontrollers.

Und dann sind da noch die drei Widerstände, die aus den Spannungen ''NULL_A'', ''NULL_B'' und ''NULL_C'' einen virtuellen Sternmittelpunkt bilden. Diese Mittelpunktspannung (''MITTEL'') kommt dann auf den Komparatoreingang ''AIN0'' vom AVR. Diese Spannung soll der Komparator später dann mit jeweils einer der Spannungen ''NULL_A'', ''NULL_B'' und ''NULL_C'' vergleichen um den Kommutierungszeitpunkt bestimmen zu können.

Man kann die Widerstands-/ und Kapazitätswerte auch noch anpassen. Bei höheren Eingangsspannungen muss man darauf achten, dass die Eingänge vom AVR keine zu hohe Spannung abkriegen! Ein Regler, den ich gekauft habe, hat einiges höhere Widerstandswerte und kommt sogar ohne Kondensatoren aus. Hier hat man also durchaus noch Spielraum um ein bisschen zu tüfteln, für den Anfang ist die abgebildete Schaltung aber bestens geeignet.

=== Mikrocontroller ===

Als Mikrocontroller sind viele Typen aus der AVR-Serie geeignet. Bei der BrushlessCtrl wird zum Beispiel ein ATMega168 eingesetzt. Mit diesem habe ich auch mal angefangen, der scheint wirklich gut geeignet zu sein. Es reicht aber auch ein ATMega88 wenn man nicht alle möglichen Protokolle und Ansteuerungsarten (I2C, SPI, PPM) gleichzeitig einbauen will.

Viele Regler verwenden auch einen AT90PWM, vorallem wenn mehrere PWM-Kanäle gebraucht werden.

Übrigens wird bei käuflichen Reglern extrem häufig ein ATMega8 eingesetzt! Wenn man nur Software entwickeln möchte kann man auch einen solchen Regler kaufen und das eigene Programm aufspielen. Bei den [[#Weblinks]] findet man dazu auch noch Informationen.

Um eine Raumzeigermodulation zu implementieren wird dann aber vermutlich schon ein 32-Bit Mikrocontroller nötig sein. Aber wie schon erwähnt ist für ein Modellbaumotor eine Raumzeigermodulation keinesfalls ein must-have.

== Software ==

Bei der Software kommt es jetzt natürlich sehr stark darauf an, wie die Hardware aufgebaut ist. Ich möchte hier aber nicht auf jede Variante eingehen, das gäbe viel zu viel Arbeit. Auch will ich ja kein fertiger Code bereitstellen, sondern nur Hinweise und Tipps geben. Wer nicht selber programmieren will, der kann ja mal die Mikrokopter-Firmware herunterladen, die älteren Versionen davon gibt es auf der Mikrokopter-Seite zum downloaden.

Wichtig sind auf jeden Fall [[#Die 6 Zustände]]. Der Mikrocontroller muss die Phasen jeweils nacheinander so wie in der Tabelle ansteuern. Das ist soweit ja kein Problem, schwierig ist aber immer der richtige Zeitpunkt für die Kommutierung zu finden.

Falls man einen IR2104 oder einen ähnlichen Treiber verwendet, würde die Software ungefähr so aussehen:

* Beim Programmstart wird schonmal der PWM-Ausgang mit einem Timer aktiviert. Die Frequenz liegt normalerweise so im Bereich 12 bis 25kHz. Ich selber verwende 20kHz, da hört man dann auch dieses Pfeifen nicht mehr.
* Der Interrupt vom Analogkomparator muss aktiviert werden, um die Kommutierungszeitpunkte bestimmen zu können.
* Dann habe ich eine Funktion, welche den Zustand (1 bis 6) eins weiterschaltet und die Ausgänge entsprechend setzt. Dabei werden die Pins, die das PWM-Signal enthalten sollen, einfach als Eingang definiert, wie ich schonmal erwähnte.
* Wichtig ist ausserdem, dass bei jeder Kommutierung auch noch der richtige ADC-Kanal auf den Komparator geleitet wird per Multiplexer. Dieser Kanal wird bei jeder Kommutierung eins weitergeschaltet.
* Danach muss nur noch gewartet werden bis der Analogkomparator einen Interrupt auslöst. Sobald dies geschieht, wird die nächste Kommutierung ausgelöst, und das Spiel beginnt wieder von vorne.

Ich glaube aber, dass dies noch nicht die ganz richtige Art ist, wie man die Kommutierung auslöst. Ich denke, man müsste nach einem Interrupt eine gewisse Zeit warten (je nach Kommutierungswinkel oder wie das heisst) und erst kurz vor dem nächsten Interrupt die Kommutierung auslösen. Also quasi immer einen Zustand später. Dazu muss aber die Verzögerungszeit ständig ausgerechnet werden, damit die auch bei jeder Drehzahl stimmt. Ich habe es selber noch nicht so implementiert, kann daher nicht sagen ob das so dann richtig funktioniert. '''Falls hier jemand besser Bescheid weiss, wäre es cool wenn man das hier noch ergänzen könnte.'''

Laut Literatur liegt der optimale Kommutierungszeitpunkt 30° nach dem Nulldurchgang der Spannung am nicht beschalteten Eingang. Die naheliegendste Möglichkeit wäre also die Zeit, die bei der aktuellen Drehzahl für eine Umdrehung benötigt wird, durch zwölf zu dividieren und so lange bis zur Kommutierung zu warten.

Ausserdem scheint es auch Regler zu geben, die eine Kommutierung nicht mit dem Analogkomparator erfassen, sondern direkt mit ADC-Wandlungen. Dazu weiss ich aber leider auch nichts näheres, deshalb auch hier: '''Wenn jemand weiss, was es damit auf sich hat, bitte melden.'''

Die Drehzahl des Motores lässt sich jetzt ganz bequem ändern, indem man den Duty-Cycle des PWM-Signales verändert. Der Motor beschleunigt bzw. bremst dann von alleine.

=== Anlauf ===

So, das war jetzt die Beschreibung für einen Motor, der bereits läuft. '''Bis''' der Motor allerdings mal dreht, muss man anders vorgehen, weil der stillstehende Motor ja keine Komparator-Interrupts auslöst, da keine BEMF vorhanden ist.

Daher muss man den Motor zuerst mit einem starren Drehfeld auf eine gewisse Drehzahl beschleunigen, wie bei einem Schrittmotor. Sobald eine genügend hohe Drehzahl erreicht wurde, kann man in den geregelten Betrieb schalten. Am besten schaltet man dazu einfach alle Phasen ab und aktiviert den Komparator. Sobald der erste Interrupt vom Komparator ausgelöst wird, werden die Phasen wieder eingeschaltet.

Der ganze Startvorgang ist aber schon eine Wissenschaft für sich. Es braucht (nach meiner Erfahrung) viel Zeit und Nerven, bis alles richtig funktioniert. Man kann aber am Anfang den Motor auch von Hand anwerfen, das geht viel einfacher als mit einer Zwangskommutierung. Ein Oszilloskop ist eigentlich auch absolut notwendig, um analysieren zu können was der Regler und die BEMF genau macht.

Ganz wichtig aber an dieser Stelle: '''Wenn der Motor mit einem starren Drehfeld angesteuert wird, sieht die BEMF alles andere als schön aus!''' Das liegt daran, dass der Motor bei jeder Kommutierung beschleunigt, und danach wieder abgebremst wird, der Motor läuft einfach nicht „rund“. Wenn ihr also irgendwas komisches auf dem Oszilloskop seht, ist das kein Fehler in eurer Schaltung, das ist normal bei Zwangskommutierung!

Wenn Ihr die BEMF auf dem Oszilloskop anschauen wollt, könnt Ihr entweder den Motor einfach von Hand drehen, oder ihr dreht den Motor mit Zwangskommutierung hoch, und schaltet dann alle Phasen ab (nicht auf GND, in der Luft hängend). Direkt nach dem Abschalten der Phasen sollte die BEMF einen relativ schönen Drehstrom zeigen (muss ich selbst noch kontrollieren ob das wirklich der Fall ist :-) )

Bis jetzt habe ich es mit dieser Variante aber noch nicht so richtig geschafft, einen brauchbaren Anlaufvorgang hinzukriegen. Ich glaube auch, dass gekaufte Regler das nicht so machen. Diese scheinen nur einen kräftigen Strom auf eine Phase zu geben, und werten dann die entstandene BEMF aus, aus der dann berechnet werden kann, welche Phase als nächstes bestromt werden muss. So richtig habe ich das aber noch nicht angeschaut, '''vielleicht weiss hier jemand besser Bescheid und könnte es hier beschreiben?'''

=== Schnittstellen ===

Man kann nun den Sollwert der Drehzahl wahlweise über einen PPM-Eingang, über UART, SPI oder I2C vorgeben. Das überlasse ich aber jedem selber, es kommt natürlich darauf an wo der Regler schlussendlich eingesetzt werden soll.

== Bildmaterial ==
=== Oszillogramme ===

[[Datei: BLDC_Oszillogramm_Phasen_PWM.png|300px]]

Die drei Phasen während dem geregelten Betrieb, die BEMF ist sehr schön zu erkennen (immer zwischen den Zuständen "PWM" und "LOW").

[[Datei: BLDC_Oszillogramm_Phasen_Vollgas.png|300px]]

So sehen die drei Phasen bei Vollgas aus (100% PWM). Die BEMF ist jetzt sogar so steil, dass man zwischen dieser Aufnahme und dem Diagramm oben ([[#Ansteuerung]]) eigentlich kein Unterschied mehr erkennen kann!

[[Datei: BLDC_Oszillogramm_BEMF_richtig.png|300px]]

* Gelb: Phase A, BEMF sehr schön erkennbar
* Blau: Mittelpunktspannung
* Rot: BEMF von Phase A (nach der BEMF-Schaltung!)
* Grün: Komparator-Interrupts (steigende Flanke) Jeder dritte Interrupt gehört zur Phase A, die anderen Interrupts stammen von den anderen Phasen, die nicht auf dem Bild zu sehen sind.

[[Datei: BLDC_Oszillogramm_BEMF_falsch.png|300px]]

So kann z.B. die BEMF während der Zwangskommutierung aussehen. Dadurch werden auch zu viele Komparator-Interrupts (Grün, jede Flanke) ausgelöst. Kein schöner Anblick...

[[Datei: BLDC_Oszillogramm_Anlauf_1.png|300px]]

So sieht der Anlaufvorgang bei einem gekauften Regler aus. eine extrem kurze Geschichte im Vergleich mit meinen paar Umdrehungen mit Zwangskommutierung. Wer kennt das Geheimnis?

=== Layouts ===

Als Anregung, wie so ein Regler aussehen könnte (nur 40x26mm klein, inklusive Optokoppler, drei Treibern und drei schönen Stecker!):

[[Datei: BLDC_Eagle3d_top_1.jpg|300px]]

[[Datei: BLDC_Eagle3d_bot_1.jpg|300px]]

Der HCPL-0600 auf der Unterseite ist übrigens ein Optokoppler um das PPM-Eingangssignal galvanisch zu entkoppeln. Ist nicht zwingend nötig, war aber grad Platz da... :-)

== Siehe Auch ==
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/248509 Diskussion zum Artikel]
* [[BLDC Demo Board]]
* [[Treiber]]
* [[Mosfet-Übersicht]]
* [[Leiterbahnbreite]] Unbedingt beachten bei grösseren Strömen!
* [[Kühlkörper]] Bei sehr hohen Strömen evtl. nötig

== Weblinks ==
* [http://www.mikrokopter.de/ucwiki/BrushlessCtrl BrushlessCtrl vom Mikrokopter]
* [http://svn.mikrokopter.de/listing.php?repname=BL-Ctrl& Software vom Mikrokopter Brushless-Regler]
* [http://home.versanet.de/~b-konze/ Die Seite von B. Konze, einer der Pioniere in diesem Bereich]
* [http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1513678 Ein Thema auf rcgroups.com (Englisch) wo einige käuflichen Regler näher angeschaut wurden und eine eigene Firmware angeboten wird]
* [http://rmmx.gmxhome.de/bldchv/start.html Ein Regler-Projekt für etwas grössere Motoren]
* [http://www.fc00.de/quadrokopter_6_kw.htm Regler für sehr grosse Motoren]
* [http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01083a.pdf Appnote AN1083 von Microchip, sehr detailliert]
* [http://www.atmel.com/Images/doc8012.pdf AppNote AVR444 von Atmel]

[[Kategorie:Motoren]]

Mikrocontroller.net - Benutzerbeiträge [de]

Brushless-Controller für Modellbaumotoren