So steuern Sie BLDC

Aufbau bürstenloser Motoren
Lassen Sie uns zunächst einige Konzepte vorstellen. Die Anzahl der Nuten N und die Anzahl der Pole P eines bürstenlosen Motors. Die Anzahl der Nuten N gibt die Anzahl der elektromagnetischen Pole am Stator an, und die Anzahl der Pole P gibt die Anzahl der magnetischen Pole am Rotor an. Der einfachste Motor mit 3N2P-Struktur ist ein bürstenloser Motor mit drei Spulenpolen am Stator und zwei magnetischen Polen am Rotor. Die schematische Darstellung der Statorstruktur eines bürstenlosen 3N2P-Motors sieht wie folgt aus:

Der Stator besteht aus drei Spulensätzen: A, B und C. Ein Ende der drei Spulen ist mit einem gemeinsamen Punkt verbunden, das andere Ende führt drei Drähte a, b und c heraus. Platziert man einen Magneten als Rotor in der Mitte, entsteht die einfachste bürstenlose Motorstruktur, wie unten dargestellt:
Dies ist natürlich nur der einfachste 3-Nut-2-Pol-Motor. Gängige Motoren verfügen über eine höhere Nut- und Polzahl, um die Rotation gleichmäßiger und das Drehmoment zu erhöhen. Die Spulen können in Stern- oder Dreieckschaltung geschaltet werden. Je nach mechanischer Struktur, unabhängig davon, ob sich der Rotor innerhalb oder außerhalb des Motors befindet, unterscheidet man zwischen Außenläufer- und Innenläufermotoren.

Antriebsprinzip bürstenloser Motoren
Nachdem wir den Aufbau des bürstenlosen Motors verstanden haben, stellt sich die Frage, wie er sich dreht. Wir betrachten den einfachsten bürstenlosen 3N2P-Motor als Beispiel. Angenommen, wir schließen zunächst die positive Stromversorgung an Anschluss A, die negative Stromversorgung an Anschluss B an und lassen Anschluss C frei. Das von Spule A erzeugte Magnetfeld ist dann nach links oben gerichtet, das von Spule B erzeugte Magnetfeld nach oben und die Vektorsumme der Magnetfelder nach links oben. Unter der Einwirkung der Magnetfelder der Spulen A und B dreht sich der Rotormagnet in die in der Abbildung dargestellte Richtung:
Im nächsten Moment schließen wir die positive Stromversorgung an Klemme c, die negative Stromversorgung an Klemme b an und lassen Klemme a frei. Dann ist die Vektorsumme der Magnetfelder nach oben rechts gerichtet, und der Rotormagnet dreht sich von Position 1 in der folgenden Abbildung zu Position 2:
In ähnlicher Weise kann sich der Rotormagnet in der nachfolgenden Sequenz von c+a-, a-b+, b+c-, c-a+, a+b-, b-c+ zur Stromversorgung kreisförmig drehen. Nach jeweils sechs Stromumschaltungen dreht sich der Rotor einmal um den Kreis. Da die drei Spulen 120° voneinander entfernt sind, lässt sich leicht schlussfolgern, dass das Drehmoment bei gleichzeitiger Stromführung zweier Spulen das √3-fache des Drehmoments einer einzelnen Spule beträgt.
Bei der oben beschriebenen Antriebsmethode werden jeweils zwei Spulen gleichzeitig angesteuert, was als „Zwei-Zwei-Leitung“-Antriebsmodus bezeichnet wird. Relativ dazu gibt es auch einen Modus, bei dem drei Spulen gleichzeitig angesteuert werden, den sogenannten „Drei-Drei-Leitung“-Antriebsmodus. Befindet sich beispielsweise die angelegte Spannung im Zustand a+bc-, so dreht sich der Statormagnet in die in der folgenden Abbildung dargestellte Position (der Nordpol befindet sich direkt gegenüber von Spule A):
Da der Strom in Spule A gleich der Summe der Ströme in Spule B und C ist, beträgt das Gesamtdrehmoment das 1,5-fache des Drehmoments von Spule A. Es ist nicht schwer zu erkennen, dass der Antriebsmodus „Drei-Drei-Leitung“ ebenfalls 6 Schritte für eine Umdrehung benötigt. Wenn wir die Spulenspannung der Reihe nach gemäß a+bc-, a+b-c+, ab-c+, a-b+c+, a-b+c-, a+b+c- steuern, kann sich der Stator ebenfalls drehen.

Antriebsschaltung für bürstenlose Motoren
Oben haben wir analysiert, wie man einen dreiphasigen bürstenlosen Motor zum Drehen bringt. Im Wesentlichen müssen dazu positive und negative Spannungen an die Ausgänge der drei Spulen angelegt werden. Im Allgemeinen kann hierfür eine dreiphasige Sechsarm-Vollbrückenschaltung wie folgt verwendet werden:
Wenn beispielsweise in der obigen Abbildung Q1 und Q4 eingeschaltet sind, die anderen jedoch nicht, fließt der Strom von Q1 durch die U-Phasenwicklung und dann von der V-Phasenwicklung zu Q4. Dadurch wird eine Spule bestromt. Ebenso wird durch das sequentielle Einschalten von Q5Q4, Q5Q2, Q3Q2, Q3Q6 und Q1Q6 der sechsstufige Arbeitsmodus der „Zwei-Zwei-Leitung“ abgeschlossen. Ebenso kann die dreiphasige Vollbrücke auch den Steuermodus „Drei-Drei-Leitung“ erreichen.
Die obige Vollbrückenschaltung dient lediglich als theoretische Einführung. In der Praxis sollten während der Steuerung die oberen und unteren MOS-Transistoren desselben Brückenzweigs nicht gleichzeitig eingeschaltet werden, da sonst die Bauelemente durchbrennen. Wir können zuerst den MOS-Transistor des oberen Brückenzweigs ausschalten und dann den MOS-Transistor des unteren Brückenzweigs einschalten (oder umgekehrt). Dadurch wird die gleichzeitige Leitungszeit der oberen und unteren MOS-Transistoren vermieden. Diese Zeitdifferenz wird allgemein als Totzeit bezeichnet. Viele von MCUs ausgegebene PWM-Wellen können die Größe der Totzeit steuern, was für unser Design praktisch ist.