Hallo,
ich hab mich jetzt mal auch hier angemeldet, weil ich mit einer
Fachfrage in anderen Foren nicht mehr weiter gekommen bin und auf dieses
mikrocontroller.net verwiesen wurde. Und zwar:
geht es um den Wirkungsgrad eines BLDC-Motors, also eines bürstenlosen
Gleichstrommotors. Bei diesem erfolgt ja die Kommutierung elektronisch,
in Abhängigkeit von der Lage des Rotors. Jetzt gibt es bekanntlich auch
Spar-Varianten dieser Motoren, bei denen kein Lagegeber in Form von
Hall-Sensoren verbaut wird. Die Rotorposition kann also nur durch
Rückwirkung auf die Statorspulen (Strommessung) über ein Motormodell
geschätzt werden, das auf dem Antriebs-µC mitläuft.
Meine Frage: Hat die Genauigkeit des Motormodells einen Einfluss auf den
Wirkungsgrad des Motors?
Ein BLDC kann ja wie eine fremderrregte Synchronmaschine betrachtet
werden. Dort ist der Wirkungsgrad abhängig vom Polrad. Wenn sich jetzt
mein Motormodell auf dem µC verschätzt und die Statorspulen nicht
100-prozentig richtig ansteuert, müsste das doch auch das Polrad und
damit den Wirkungsgrad beeinflussen, oder?
Ich bin mir nicht sicher, ob die Frage hier im Off-Topic bereich richtig
angesiedelt ist, aber habe kein Unterforum gefunden, dass mir besser
geeignet schien. Wenn nötig, kann das Thema gerne verschoben werden.
Ich hoffe, es gibt hier Antriebsexperten, die mir weiterhelfen können.
Der Wirkungsgrad ist nicht abhängig davon, ob der Motor elektronisch
oder mechanisch kommutiert wird, und ob elektronische Kommutierung durch
Hallsensoren oder Incrementalgeber oder Rückermittlung aus der BackEMF
bestimmt wird.
Aber der Wirkungsgrad hängt (bei ansonsten identischem Motor) schon
davon ab, ob die Umschaltzeitpunkte der Spulen zum idealen Zeitpunkt
erfolgen, und ob mit primitivem Rechteck oder idealem Sinus kommutiert
wird.
Aber so lange nicht gerade Laien pfuschen, wird der Hersteller es schon
nahe optimal hinbekommen.
Letztlich hängt der Wirkungsgrad aber vor allem vom Drahtwiderstand und
magnetischen Fluss ab, grössere Motoren sind prinzipiell im Vorteil
gegenüber kleineren.
Wenn man aus einem gegebenen Motor den optimalen Wirkunsgrad holen will,
sollte man die Rotorposition genauer auflösend erfassen als mit
Hallsensoren, sondern mit Incrementaldecodern. Dann kann man optimale
Sinuskommutierung auch bei unterschiedlichen Drehzahlen erreichen,
Vektorkommutierung/Raumzeigermodulation. Die ist, wenn man sie statt mit
Komparatoren besser mit A/D-Wandlern erfasst, auch per BackEMV möglich,
allerdings nur wenn der Motor ohne Last anlaufen kann.
Man braucht also Sensoren wenn der Motor unter Last anlaufen soll und
langsam laufen muss. Da kann per Hallsensor erfolgen. Dreht er erst mal
schnell genug, kann man per BackEMF die genauerer Rotorlageposition
ermitteln die für optimalen Wirkungsgrad nötig wäre. Muss der Motor das
auch bei niedrigen Drehzahlen haben, braucht man Incrementalencoder.
Für besonders anspruchsvolle Steuerungen (Feinpositionierung mit
Lastausgleich) wird auch gern auf externe Sinuskosinusgeber
zurückgegriffen
dies ist selbstverständlich nicht nur bei Schrittmotorens sondern auch
für Synchron~ und Brushlessmotoren optimal, erfordert aber einen
Synchronisierprozess um die Geberposition anzulernen.
http://www.schrittmotoren.de/fachwissen/geber/f_beitr_00_410.htm
Diese Seite bietet imho insgesammt einen sehr guten Überblick und eine
gute didaktische Aufbereitung zum Thema
http://www.schrittmotoren.de/fachwissen/fachw_main.htm
Namaste
Die Sinus-/Cosgeber verwendet man aber nicht für eine genauere/bessere
Kommutierung, sondern für ein höher aufgelöstet Positions- und
Drehzahlsignal in den überlagerten Regelkreisen. Normalerweise wird bei
Verwendung eines (externen) hochauflösenden Gebers weiterhin auf den
Motor-internen Geber kommutiert. Das darf dann ruhig ein preiswerter
Resolver sein (bei größeren Servomotoren) oder eben Hallsensoren.
Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann
Bei Closed loop Synchronmaschinen wird zumindest bei Aufzügen sehr wohl
auf den sin/cos oder A/B kommutiert da meist nur diese beiden signale
jeweils symetrisch am Frequeenzumrichter ausgewertet werden.
Auf das Positionssignal wird verzichtet sofern der Geber eines liefert,
der Motor gibt dies ohnehin mangels Sensor nicht aus. Vorraussetzung ist
wie beschrieben eine Synchronisierung des Gebers. Moderne FUs haben
dafür eine spezielle Funktion wie sie auch vorpprogrammierte
motortypspezifische Aufzugsprogramme bereits ab Firmware aufweisen und
nur noch feinparametriert werden müssen.
Namaste
Klasse, hier scheine ich ja wirklich richtig zu sein!
Danke für die vielen kompetenten Antworten!
Um das Thema mal wieder in die richtige Richtung zu lenken:
Meine eingangs gestellte Frage bezog sich ausschließlich auf Motoren,
die ohne einen externen Positionsgeber auskommen müssen.
Ich denke, dazu hat Michael Bertrandt mir schon die für mich relevanten
Informationen geben können. Als Ergänzung von meiner Seite:
Dass die wesentlichen Einflussgrößen für die Verluste die Bauweise des
Motors ist, hatte ich schon erwartet. Man wird ja immer versuchen, die
Antriebsregelung so auszulegen, dass für die wesentlichen
Betriebszustände eine optimale Ansteuerung vorliegt. Ich weiß aber, dass
zum Beispiel in Haushaltsgeräten mittlerweile vermehrt Brushless-Motoren
eingesetzt werden, bei denen aus Kostengründen auf einen separaten
Positionsgeber verzichtet wird. Wenn der abzudeckende Drehzahl /
Lastbereich dann entsprechend groß ist, kann ich mir schon vorstellen,
dass eine solche Regelung dann auch mal gewissen Ungenauigkeiten
unterworfen ist. Vor allem weil solche Motoren meiner Meinung nach eher
nicht die Eigenschaften eines typischen Servomotors aufweisen. Da hat
sich mir dann die Frage gestellt, ob der Wirkungsgrad durch die ungenaue
Regelung beeinflusst wird.
Im Grunde ist meine Frage aber beantwortet. Es sei denn, mir kann das
zwecks besserem Verständnis noch jemand anhand eines Motormodells eines
Brushless-Motors erklären. ;-)
Hallo Patrick,
> Im Grunde ist meine Frage aber beantwortet. Es sei denn, mir kann das> zwecks besserem Verständnis noch jemand anhand eines Motormodells eines> Brushless-Motors erklären. ;-)
Ich würde mal folgendes Modell in den Raum werden:
Ein Extrem ist die "perfekte" Kommutierung durch Messung der
Rotorposition. Das andere Extrem ist gar nicht zu wissen wo der Rotor
steht. Dann kann man den Motor nur gesteuert betreiben und hat im
Prinzip einen Schrittmotor mit niedriger Polzahl. Der hat im Stillstand
einen Wirkungsgrad von quasi Null, weil die gesamte elektrische Leistung
in der Windung verheizt wird. Und das ist so, weil das erzeugte Feld
kein Moment erzeugt, da der Rotor schon ausgerichtet ist. Polt man dann
eine Wicklung um, hat man kurzzeitig den optimalen Winkel von 90°
zwischen Rotorfeld und Statorfeld und erzeugt maximales Moment.
Die sensorlose Regelung wird irgendwo zwischen diesen beiden Extremen
liegen. Wo genau, hängt davon ab, wie gut die Modelle sind und wie genau
die Rotorposition ermittelt werden kann. Die ganzen sensorlosen
Regelungsverfahren basieren ja auf einer Messung der Back-EMF (also der
induzierten Gegenspannung). Das funktioniert erst ab einer gewissen
Drehzahl, darunter werden Anlaufverfahren verwendet, die dem oben
geschilderten gesteuerten Betrieb entsprechen. Soweit zumindest mein
Kenntnisstand. Dementsprechend kann man auch davon ausgehen, dass bei
niedrigen Geschwindigkeiten der Wirkungsgrad von sensorlosen
Regelungsverfahren gegenüber einer Messung des Rotorwinkels deutlich
abfällt.
Mit freundlichen Grüßen
Thorsten Ostermann
Thorsten Ostermann schrieb:> Das funktioniert erst ab einer gewissen> Drehzahl, darunter werden Anlaufverfahren verwendet, die dem oben> geschilderten gesteuerten Betrieb entsprechen. Soweit zumindest mein> Kenntnisstand.
Das ist korrekt. Sensorlose Konzepte werden vorallem da eingesetzt, wo
erst ab einer gewissen Drehzahl Leistung gefordert ist, z.B. Lüfter,
oder Propeller. Sensorloser Anlauf unter Last ist schwierig bis
unmöglich. Je nach Motor-Geometrie kann man aber die Rotorposition durch
Messung der Induktivität der einzelnen Wicklungen bestimmen, im
Stillstand, oder bei langsamem Lauf.
Mit freundlichen Grüßen - Martin
Eine eigene Frage?
Dieser Thread ist über 11 Jahre alt.
Stell sie in einem eigenen Thread – dort lesen mehr Leute mit, und sie wird öfter und schneller beantwortet.
