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Bürstenlose Gleichstrommotoren (engl. BLDC – brushless DC motors) haben viele Bereiche der Industrie, der Unterhaltungselektronik und des Automobilsektors revolutioniert. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt und tragen zur Innovation und zur Entwicklung neuer Technologien bei. Für ihren Betrieb benötigen sie eine Steuerung.
Bürstenlose Motoren - Aufbau und Betrieb
Bürstenlose Motoren (BLDC) unterscheiden sich von traditionellen Gleichstrommotoren (DC) vor allem durch das Fehlen von Bürsten und Kommutator. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz, Zuverlässigkeit und geringeren Verschleiß. Der Rotor eines bürstenlosen Motors ist magnetisch in die Motorwelle eingebettet und besteht in der Regel aus Permanentmagneten (meist Neodym). Diese Magnete erzeugen ein Magnetfeld, das dazu verwendet wird, die Statorspulen in Bewegung zu versetzen.
Die nächste Komponente, der Stator eines bürstenlosen Motors, enthält Spulen, die normalerweise symmetrisch um den Rotor angeordnet sind. Diese Spulen werden manchmal als Phasen bezeichnet und erzeugen ein Magnetfeld, das mit den Magneten auf dem Rotor interagiert, wodurch der Rotor in Drehung versetzt wird. Einige bürstenlose Motoren verwenden Positionssensoren, um die Position des Rotors im Verhältnis zum Stator zu bestimmen. Dadurch kann der Controller den Strom in den einzelnen Phasen genau steuern und das richtige Drehmoment für einen reibungslosen Betrieb bereitstellen.
Der Controller des bürstenlosen Motors, mit dem wir uns im heutigen Artikel befassen werden, ist dafür verantwortlich, den Strom in den Statorspulen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Richtung zu regulieren, um eine Drehbewegung des Rotors zu bewirken. Der Controller empfängt die Signale von den Positionssensoren (oder führt sie ohne sie aus, die so genannte sensorlose Steuerung) und liefert den entsprechenden Strom an die Spulen. Bleibt die Frage der Kommunikation, und auch hier gibt es viel Spielraum – bürstenlose Motoren können Kommunikationssysteme wie UART-, PWM- oder CAN-Schnittstellen benötigen, um den Betrieb des Motors zu steuern und zu überwachen. Wir verwenden diese zur Steuerung der Geschwindigkeit, der Drehrichtung und zur Überwachung von Temperatur und Strom.
Bürstenlose Motorsteuerungen
Die BLDC (Brushless DC) Motorsteuerung spielt eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung eines reibungslosen und kontrollierten Motorbetriebs. Seine Hauptaufgabe besteht darin, den Strom in den Motorspulen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Richtung zu steuern, um die gewünschte Rotorgeschwindigkeit zu erzeugen. Wir wissen bereits, dass einige BLDC-Motorkonfigurationen Positionssensoren verwenden – dies ist ein sogenanntes Halotron, das die Position des Rotors im Verhältnis zum Stator überwacht.
Die Halotronen versorgen die Steuerung mit Informationen über die aktuelle Rotorposition, die notwendig ist, um das erzeugte Magnetfeld mit der Position der Magnete auf dem Rotor zu synchronisieren.
Die BLDC-Motorsteuerung ordnet den Strom in den einzelnen Motorphasen so an, dass er Umdrehungen erzeugt. Es gibt mehrere gängige Methoden der Phasensequenzierung, wie z.B. die Trapezmethode (für Steuerungen mit Positionssensoren) und die Sinusmethode (für Steuerungen ohne Positionssensoren). Der Controller steuert Transistoren oder andere Halbleiterelemente, die die Motorspulen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Richtung erregen. Je nach Sequenz schaltet der Controller die entsprechenden Transistoren ein und aus, um den Strom durch die entsprechenden Spulen zu treiben, was das entsprechende Drehmoment und die entsprechende Rotorrichtung erzeugt. Er kann auch Algorithmen zur Drehzahl- und Drehmomentsteuerung enthalten, die die Drehzahl und die Last des Motors überwachen und dann die Stromsteuerung anpassen, um die gewünschte Drehzahl oder das gewünschte Drehmoment aufrechtzuerhalten.
Verwendung von bürstenlosen Motoren mit Controllern
Dank ihrer hohen Leistung und Energieeffizienz sowie ihrer stufenlos einstellbaren Drehzahl sind bürstenlose Motoren eine attraktive Wahl für Hersteller von Elektrowerkzeugen – wir sprechen hier von Elektrowerkzeugen wie Bohrmaschinen, Schleifmaschinen und Schraubendrehern. In vielen Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Trocknern, Kühlschränken und Geschirrspülern werden bürstenlose Motoren mit Reglern für den Antrieb von Pumpen, Lüftern und anderen Komponenten eingesetzt, was zur Energieeffizienz und Langlebigkeit dieser Geräte beiträgt.
Sie werden auch von städtischen Nutzfahrzeugen und Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen wie Elektrofahrrädern, Hover-Skateboards, Rollern und Scootern verwendet. In Kombination mit fortschrittlichen BLDC-Motorsteuerungen ermöglichen sie eine sanfte Fahrt, schnelle Beschleunigung und hohe Geschwindigkeiten.
Ein weiteres, etwas spezielleres Anwendungsgebiet für BLDCs sind ferngesteuerte und RC-Fahrzeuge wie Drohnen, Quadrocopter und Roboter, bei denen hohe Leistung, geringer Stromverbrauch und präzise Bewegungssteuerung gefragt sind. Und da BLDC-Motoren eine reibungslose Geschwindigkeits- und Richtungssteuerung ermöglichen, was für eine stabile und agile Steuerung kleiner Geräte entscheidend ist, ist es nicht verwunderlich, dass sie häufig in der Hobby- und Profi-Robotik zu finden sind. Bürstenlose Motoren sind sogar in der Luft- und Raumfahrt und in medizinischen Geräten wie Insulinpumpen, diagnostischen Bildgebungsgeräten und Operationstischen zu finden.
Eigene Projekte mit BLDC-Steuerungen
Sobald Sie die Grundlagen kennen, kann es nicht schaden, ein wenig herumzuspielen. Die Arbeit mit bürstenlosen Motoren kann eine gute Möglichkeit sein, die Grundlagen der Elektronik, der Automatisierung, der Mikrocontroller-Programmierung und der Prinzipien von Elektromotoren zu erlernen. Es ist eine großartige Gelegenheit, praktische Kenntnisse und Erfahrungen im Bereich der Technik zu sammeln.
Dazu gehört zum Beispiel der Bau eines einfachen Fahrzeugs oder Roboters, der einen bürstenlosen Motor für den Antrieb verwendet und einen Arduino zur Steuerung seiner Bewegung verwendet. Oder bauen Sie Ihre eigene CNC Maschine (Computer Numerical Control) für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff oder Aluminium, die bürstenlose Motoren für den Antrieb der Achsen und eine Arduino-Plattform für die Steuerung der Bewegung des Werkzeugs verwendet.
Für Kreative lohnt es sich, einen Blick auf interaktive Kunstinstallationen, Ausstellungen oder Spielzeuge zu werfen, die bürstenlose Motoren für Animationen und Bewegungen und die Raspberry Pi-Plattform für die Steuerung und Benutzerinteraktion verwenden.
Ideen gibt es viele – sehen Sie sich den Botland Shop an und suchen Sie nach führenden Anbietern von elektronischen Bausätzen und Modulen, die Sie für eine Vielzahl von Projekten verwenden können, auch für solche mit bürstenlosen Motoren.
