Mathematics of Electronic Motor Control

Chuck Lewin, Präsident & CEO von Performance Motion Devices (herunterladen als PDF)

Einführung

In den letzten zehn Jahren wurden verschiedene Anläufe unternommen hochentwickelte, komplexe Motor Control Algorythmen in ihrer Verwendung zu optimieren. Der wohl wichtigste Anlauf war der Wunsch nach niedrigerem Energieverbrauch bei gleichzeitig höherer Leistungsausbeute. So wie es aussieht, werden diese zwei oft in gegenseitige Beziehung gebracht. Zum Beispiel kann niedrigerer Energieverbrauch nicht nur von rationelleren Motorkontrollverfahren, sondern auch von erhöhter Funktionalität profitieren. Ein Beispiel ist die Fähigkeit, die Richtung eines AC Asynchronmotors zu ändern, welches verwendet wird um eine Waschmaschine in Gang zu bringen. Durch die Implementierung dieser Funktion wurde es möglich die Ladung automatisch auszubalanzieren während gleichzeitig die Rotationsgeschwindigkeit erhöht und der Energieverbrauch für den Trocknungsvorgang gesenkt werden konnten.

Ein weiterer Ansatz hochentwickelte Controlalgorithmen voran zu treiben ist die Verfügbarkeit kostengünstiger Mikroprozessoren und DSPs mit fortschrittlicher Vektorkontrolle von Mehrphasenmotoren. Der AC Induktionsmotor ist das Arbeitspferd fast aller im Haushalt eingesetzten Geräte da es einfach zu kontrollieren ist und wenig kostet. In seiner einfachsten Konfiguration wird es einfach über die Steckdose mit Strom versorgt und benötigt dabei nur ein Minimum an Elektronik. Aber, um Motorleistungsfähigkeit zu erhöhen und die Kontrollleistung zu verbessern, muß eine substantielle Menge an Elektronik in den Controller eingebaut werden. Erst seit relativ kurzer Zeit sind die Kosten dieser Elektronik niedrig genug um eine Überlegung wert zu sein eingesetzt zu werden in der Großserie von Weißer Ware.

Bürstenlose DC Servomotoren verfügen auch über mehrere Phasen, und werden gerne in medizinischen Geräten und der Robotik eingesetzt. In diesen Anwendungen spielen nicht Kosten sondern Leistung und Zuverlässigkeit die Hauptrolle. Die besonderen Schlüsselanforderungen stellen ein weicher Lauf und ein breiter Bereich an Dynamik dar. Ein weiterer charakteristischer Punkt von DC bürstenlosen Servomotoren, welches sie für neue Anwendungen wie in elektrischen und Hybridfahrzeugen attraktiv macht, ist ihre Effizienz. Hochleistungs DC bürstenlose Servomotoren die von moderner Controlelektronik angetrieben werden, erreichen Wirkungsgrade von 95% und mehr. Dies ist erheblich oberhalb der Effizienz der besten AC Induktionsmotoren die in der Regel höchsten 85% erreichen.

In diesem Artikel stellen wir die vornehmlich verwendeten Controltechniken vor um Mehrphasenmotoren zu regeln, für AC Induktionsmotoren und bürstenlose DC Servomotoren. Schrittmotoren, die auch Multiphasenmotoren sind, werden hier nicht berücksichtigt, weil sie im allgemeinen für niedrigere Geschwindigkeits- und Leistungsanwendungen benutzt werden. Obwohl sehr populär für Anwendungen wie Drucker, werden sie nicht in Anwendungen benutzt mit hohem Energieverbrauch.