Die InPAC-Technologie (Intelligent Phase Control, Intelligente Phasenregelung) optimiert die Leistung von bürstenlosen Motoren, indem sie ihre Effizienz maximal ausreizt.
Bürstenlose Motoren werden für viele Zwecke eingesetzt und treiben diverses High-Speed-Equipment vom Heimstaubsauger über Industriemaschinen bis zu den Lüftern der Server in Rechenzentren an.
Eine große Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die gewählten Motoren zuverlässig und effizient arbeiten. Toshiba hat seine neue InPAC-Serie von Motorsteuerungen entwickelt, um zur Erreichung dieses Ziels beizutragen.
Intelligente Phasenregelung
Um die steigende Nachfrage nach höherer Energieeffizienz und geringerer Geräuschentwicklung zu erfüllen, wenden sich die Geräteentwickler zunehmend Invertern zur Steuerung von bürstenlosen Motoren zu. Mit herkömmlicher Technologie muss zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrads der Phasenwinkel (Vorsteuerwinkel) zwischen Spannung und Stromstärke für jeden einzelnen Motor eingestellt werden.
Abbildung 1. Darstellung des Vorsteuerwinkels
Der Vorsteuerwinkel ist der zeitliche Winkel, um den die an die Spule angelegte Spannung vorauseilt.
Es muss eine Zeitlang Spannung an die Spule angelegt werden, bis die Stromstärke ihren maximalen Wert erreicht. Bei einer schnellen Rotation kann der Rotor den nächsten Einschaltpunkt erreichen, bevor der Magnetantrieb seine maximale Leistung erreicht. In diesem Fall ist die Rotorleistung nicht maximal. Um diese Situation zu vermeiden und den Wirkungsgrad des Antriebs zu erhöhen, wird der Rotor um einen bestimmten Winkel bezüglich des berechneten Winkels vorgedreht. Dieser Winkel wird als Vorschubwinkel bezeichnet. Der Vorschubwinkel hängt von den speziellen Eigenschaften, der Drehzahl und der Lastbedingung des bürstenlosen Motors ab.
Das Erzielen eines optimalen Wirkungsgrads über einen großen Drehzahlbereich – von fast null Umdrehungen pro Minute (U/min) beim Start bis zu hohen Drehzahlen von mehreren Tausend U/min – erfordert viele Charakterisierungen zur Einstellung der Phase, die meist nur in einem eingeschränkten Bereich optimal ist. Der Vorteil von InPAC ist die intelligente Phasenregelung, die bürstenlosen Motoren einen effizienten Betrieb bei hoher Umdrehungszahl mit gleichbleibender Genauigkeit ermöglicht.
Der Ansatz von Toshiba weicht entscheidend von herkömmlichen Motorsteuerungen ab. Mit den Technologien der vorherigen Generation musste die Phasendifferenz des Motors zwischen Spannung und Stromstärke an mehreren Stellen seines Drehzahlbereichs angepasst werden. Die InPAC-Technologie (Intelligent Phase Control) von Toshiba macht dies überflüssig und beschleunigt die Entwicklung durch automatische Einstellung der Phasen für Spannung und Stromstärke des Motors, womit allein durch Initialisierung der größtmögliche Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich erzielt wird. Darüber hinaus sorgt die Lösung von Toshiba für eine flexible Drehzahlsteuerung durch Hardware-Logik ohne Einsatz des Mikrocontrollers, was zusätzlich Entwicklungsarbeit einspart.
So funktioniert es:
Wenn ein bürstenloser Motor durch eine sinusförmige Spannung angetrieben wird, erzeugen durch die Impedanz hervorgerufene Drehzahländerungen eine Phasendifferenz zwischen Spannung und Stromstärke, die den Wirkungsgrad des Antriebs herabsetzt. Um die zur Erhöhung des Wirkungsgrads erforderliche Regelung der Phase vorzunehmen, ermittelt InPAC die Beziehung zwischen der Stromphase (Messung der Stromstärke) und der Spannungsphase (Hall-Effekt-Signal) und meldet diese an das Steuersignal für die Stromstärke des Motors, um die Beziehung der Phasen automatisch einzustellen. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad.
InPAC ermittelt unmittelbar die Motorstrom-Phase und leitet diese Information zur automatischen Regelung des Vorschubwinkels zurück. Beim Einsatz von Sensoren für die Motorsteuerung wird die Phase des Hall-Signals automatisch der des Antriebsstroms des Motors angepasst. So wird unabhängig von Drehzahl, Drehmoment und Versorgungsspannung ein hoher Wirkungsgrad erzielt. InPAC trägt auch zur Reduzierung der Anzahl der für die Regelung des Vorschubwinkels erforderlichen externen Bauteile bei.
Um mit herkömmlichen Technologien zur Motorsteuerung den höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Phasendifferenz zwischen Spannung und Stromstärke des Motors an mehreren Stellen des Drehzahlbereichs angepasst werden. InPAC macht dies überflüssig und versetzt die Entwickler in die Lage, die Phasen von Spannung und Stromstärke des Motors allein durch Initialisierung zu regeln, um den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. Dadurch wird der Entwicklungsaufwand reduziert.
Bei 3.000 U/min. wird die Versorgungsstromstärke durch InPAC im Vergleich zu einem herkömmlichen festen Vorschubwinkel um etwa 10 % reduziert.
Optimierung und Wirkungsgrad
Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, muss der Vorschubwinkel mit real existierenden Mittel geregelt werden, obwohl er auf Grundlage der von Hall-Sensoren ermittelten Rotorpositionen gesteuert wird. Der Vorschubwinkel muss auch entsprechend der Motorkonstanten wie Drehzahl und weiteren Faktoren geregelt werden, auch wenn die Steuerung des Motors den Vorschubwinkel automatisch regelt. Aufgrund dieser entscheidenden Einschränkungen ist im Laufe der letzten Jahre eine verbesserte Regelungsmethode erforderlich geworden, durch die die Entwickler entlastet werden.
InPAC löst dieses Problem durch eine schnelle Erkennung der Motorstrom-Phase und sofortige Rückführung dieser Information an die automatische Regelung des Vorschubwinkels. Beim Einsatz von Sensoren für die Motorsteuerung wird die Phase des Hall-Signals automatisch an die des Antriebsstroms des Motors angepasst. So wird unabhängig von Drehzahl, Drehmoment und Versorgungsspannung des Motors ein hoher Wirkungsgrad erzielt. InPAC trägt auch zur Reduzierung der Anzahl der zur Regelung des Vorschubwinkels erforderlichen Bauteile bei und macht jede Art der Programmierung in Zusammenhang mit den Betriebszuständen des Motors überflüssig.
Die Verwendung eines Antriebs mit sinusförmiger Spannung mit glatten Stromverlauf hat auch den Vorteil, dass der Motor weniger Geräusch und Vibration als ein mit einer rechteckförmigen Spannung angetriebener Motor erzeugt.
Voraussetzungen, Versionen und Spezifikationen
InPAC-Bausteine sind in verschiedenen Versionen verfügbar, die für bestimmte Entwicklungsanforderungen bestimmt sind. Der TC78B016FTG ist ein voll integrierte Motorsteuerung mit Nennwerten von maximal 40 V/3 A. Dieser IC benötigt eine Versorgungsspannung im Bereich von 6 und 36 Volt und erzeugt eine Sinuswelle. Die Entwickler können auch vom niedrigen Einschaltwiderstand von typisch 0,24 Ohm (insgesamt für Hi-Side und Low-Side) profitieren, der die Wärmeentwicklung des Bausteins im Betrieb reduziert, was den Einsatz des IC bei 1,0-1,5 A ermöglicht. Für die Drehzahlregelung wird ein einfaches PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) oder eine analoge Eingangsspannung verwendet. Es sind Schutzmechanismen wie thermische Abschaltung, Überstromschutz und Blockiererkennung integriert. Der Baustein wird in einem kompakten 5 x 5 mm2 großen VQFN32-Gehäuse angeboten.
Der TC78B041FNG und der TC78B042FTG sind flexible Controller-Produkte, die eine genaue Bemessung des Energieverbrauchs der Anwendung und die Verwendung von geeigneten Gate-Treiber und MOSFETs für den Einsatzzweck ermöglichen. Der TC78B041FNG wird in einem Gehäuse vom Typ SSOP30 und der TC78B042FTG in einem 5 x 5 mm2 großen VQFN32-Gehäuse geliefert.
Der TC78B027FTG ist ein Controller mit Gate-Treiber, zu dem die Anwender die für ihren Einsatzzweck geeigneten MOSFETs auswählen können. Er enthält ein Treibersystem für einen Hall-Sensor, sodass ein kostengünstigerer bürstenloser Motor mit einem Sensor eingesetzt werden kann. Der Baustein befindet sich in einem 4 x 4 mm2 großen VQFN24-Gehäuse.
Weitere Informationen:
Toshiba hat mehr als 35 Jahre Erfahrung mit der Herstellung von Motortreibern und bietet eine umfangreiche Palette von Steuerungen für bürstenlose Motoren mit InPAC-Technologie für die verschiedensten Einsatzzwecke an. Zur Evaluierung ihres geplanten Produkts unter Verwendung eines bürstenlosen Motors einschließlich InPAC können Referenz-Designs heruntergeladen werden.
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