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Einer für alle - Motorcontroller von Micronas für DC Motoren, BLDC Motoren und Schrittmotoren

Erstellt von Ralf Hickl, Product Sales Manager Automotive Business Unit |

Immer mehr Sicherheits- und Komfortfunktionen im Auto werden mit einem elektrischen Antrieb versehen. So steigt auch die Zahl der Motoren mit kleiner Leistung. Jetzt gibt es ein hochintegriertes Motorcontroller IC, das jeden dieser Motoren im Auto ansteuern kann.

Je nach Einsatzfall empfiehlt sich ein anderer Motortyp:

  • Schrittmotoren

Schrittmotoren zählen zu den Synchronmaschinen. Sie haben mindestens zwei Phasen, die mittels PWM über Halb-Brücken angesteuert werden. Für die bipolare Ansteuerung eines Zwei-Phasen-Schrittmotors sind zwei H-Brücken erforderlich.

Durch die hohe Polzahl der Schrittmotoren kann eine Rotorumdrehung in viele Schritte aufgelöst werden. So lässt sich mit Hilfe eines Referenzpunktes der Rotorwinkel und damit die Position der Last ermitteln.

Schrittmotoren empfehlen sich z. B. für die Leuchtweitenregulierung, den Antrieb für das Kurvenlicht und die Ansteuerung verschiedener Klappen.

  • DC Motoren mit Bürsten

DC Motoren mit Bürsten sind einfach anzusteuern und zu regeln, denn sie liefern ein Drehmoment, das bei konstantem Ständerfeld proportional zum Ankerstrom ist - oder anders ausgedrückt: Aus dem Ankerstrom lässt sich leicht auf das Lastmoment schließen. Gleichzeitig verläuft die Drehzahl weitgehend proportional zur Ankerspannung.

Für unidirektionalen Betrieb genügt als Leistungsendstufe ein mittels PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuerter Transistor, für Rechts-/Linkslauf eine H-Brücke. So lassen sich schon mit geringem Schaltungs- und Rechenaufwand Antriebe mit relativ kurzer Einschaltdauer realisieren, z.B. zur Sitz- oder Spiegelverstellung oder für die Pumpe der Wisch-Wasch-Anlage.

Nachteile: Die Kontaktierung der Ankerwicklungen über Kollektor und Bürsten unterliegt dem Verschleiß und erzeugt elektrisch leitenden Feinstaub. Zudem erzeugt die mechanische Kommutierung elektromagnetische Störungen.

  • Bürstenlose DC Motoren (BLDC Motoren)

BLDC Motoren haben Dauerläufer-Qualitäten, da sie ohne verschleißbehaftete elektromechanische Stromwendung über Bürsten und Kollektor auskommen. Damit empfehlen sie sich für den Einsatz in Pumpen, Lüftern und anderen Antrieben mit langer Einschaltdauer.

Welche Phasenströme zur Ansteuerung eines BLDC Motors?

Die Ansteuerung ist bei BLDC Motoren aufwändiger als bei einfachen DC Motoren. Das liegt daran, dass die ansteuernde Schaltung meistens drei Wechselspannungen erzeugen muss, die in Frequenz und Spannung einstellbar sind und eine bestimmte Phasenlage zueinander einhalten. Damit der BLDC Motor leise und vibrationsarm läuft, sollten die Phasenströme möglichst sinusförmig sein. Das lässt sich z.B. durch pulsweitenmodulierte Phasenspannungen mit sinusförmiger Grundschwingung erreichen (Sinuskommutierung).

Drehmoment des BLDC Motors bei dynamischer Belastung ermitteln und regeln

BLDC Motoren gehören zum Typ der Synchronmaschinen. Das heißt, der Motor gibt mit der Frequenz seiner Phasenströme und seiner Polzahl die Drehzahl vor. Damit lässt sich das Drehmoment bei dynamischer Belastung über die Feldorientierte Regelung (FOC) ermitteln und regeln. Durch dieses mathematische Modell kann der Anwender auf einen errechneten Ankerstrom und einen Ständerfluss zugreifen, analog zum DC Motor. Hierzu sind Informationen über die Position des Rotors, die Phasenströme und etwas Rechenleistung erforderlich. Bei einem dreiphasigen BLDC Motor benötigt man für die Hardware-Endstufe des Inverters sechs Schalttransistoren mehr als für die H-Brücke beim DC Motor.

DC Motor mit oder ohne Bürsten?

Die Realisierung der Hardware und die Ermittlung der Regelgrößen sind beim BLDC Motor zwar aufwändiger als beim vergleichbaren DC Motor, doch der BLDC Motor bietet einige Vorteile: kaum Verschleiß und damit höhere Lebensdauer sowie geringeres Gewicht bzw. kleinere Motorabmessungen bei höherer Effizienz. Damit wird er den klassischen DC Motor auf längere Sicht in Nischen-Anwendungen verdrängen.

Motorcontroller: Einer für alle

Ein Motorcontroller, der alle drei genannten Motortypen mit kleiner Leistung ansteuert, ebnet den Weg für die schrittweise Migration von DC Motoren hin zu modernen BLDC Motoren. Der HVC4223F von Micronas kann in folgenden Motorkonfigurationen betrieben werden:

  • unabhängiger Betrieb von zwei oder drei DC Motoren
  • Betrieb eines BLDC Motors oder anderer Permanentmagnet-Synchronmotor (PMSM) Motoren
  • Betrieb mit einem bipolaren Schrittmotor

Hierfür verfügt der Motorcontroller über integrierte Ausgangstransistoren, die zu drei H-Brücken oder zwei 6-Pulsbrücken verschaltet sind, und einen entsprechenden PWM-Timer.

Zudem bietet er eine hohe Performance für smarte Aktoren mit reduziertem CO2-Ausstoß.

Als Ein-Chip-Lösung in einem nur 6mm x 6mm kleinen QFN-Gehäuse enthält der HVC4223F Motorcontroller

einen 32-Bit ARM® Cortex®-M3 Mikrocontroller mit 32KB Flash und 2KB SRAM

  • Low Dropout Spannungsregler zum direkten Anschluss an die 12V Batterie
  • LIN-2.x Transceiver
  • Watchdog Timer
  • Ausgangstransistoren zum direkten Anschluss des Motors.

Dadurch benötigt der Motorcontroller wenig Platz und kann - dank seines weiten Temperaturbereichs bis zu 150°C - auch direkt im Motor eingebaut werden.

Die Rechenleistung des CPU-Kerns ermöglicht den Einsatz komplexer Regelalgorithmen, z.B. die Feldorientierte Regelung von BLDC Motoren mit Raumzeigermodulation (Space Vector Modulation, SVC), die Blockkommutierung (Six-Step Modulation) mit und ohne Sensoren sowie diverse Verfahren zur Ansteuerung von Schrittmotoren.

Für den einfachen Aufbau von LIN-Clustern kommt der Motorcontroller mit integriertem LIN-Transceiver mit zusätzlichem Pin für die Auto-Adressierung (Micronas easyLin®). Damit lassen sich verschiedene gleichartige Applikationen automatisch identifizieren und zu einem LIN-Cluster zusammenfügen.

Der TDK-Micronas HVC4223F Motorcontroller eignet sich für zahlreiche Applikationen im Auto, z.B.:

  • Spiegelverstellung
  • Leuchtweitenregulierung
  • Antrieb Kurvenlicht
  • Abgasklappen
  • Abdeckklappen für Kameras
  • Kühlerlamellenverstellung
  • Sitzklimatisierung
  • Lüfter und Pumpen
  • Klimaklappensteuerung
  • Versenkbares Interieur

Das Demo-Kit gibt es hier: www.rutronik24.de.