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Antriebssteuerungen und den Wirkungsgrad durch FOC verbessern

Antriebssteuerungen und den Wirkungsgrad durch FOC verbessern

Elektromotoren sind einer der größten Stromverbraucher im Bereich Leistungselektronik. Internationale Umweltrichtlinien, wirtschaftliche Überlegungen und Kundenerwartungen verlangen, dass Motoren möglichst energieeffizient betrieben werden, was eine große Herausforderung für Entwickler ist.

Zu den gängigen Antriebslösungen für Elektromotoren zählen:

  1. Die trapezförmige Ansteuerung ist einfach und kostengünstig umsetzbar. Sie eignet sich für platzbeschränkte Umgebungen. Allerdings ist die Regelgenauigkeit problematisch – vor allem bei niedrigen Drehzahlen. Dies kann den gleichmäßigen Motorlauf beeinträchtigen, zu unerwünschten Geräuschen führen und den Gesamtwirkungsgrad des Systems verschlechtern.
  2. Die sinusförmige Ansteuerung verwendet phasenverschobene sinusförmige Stromsignale, um ein gleichmäßigeres Drehmoment als die trapezförmige Ansteuerung zu erzeugen. Dies erfordert genaue Informationen über die Rotorposition und die schnelle Berechnung der Stromwerte. Bei höheren Drehzahlen führt jede Verzögerung bei dieser Berechnung zu einem schlechteren Wirkungsgrad.
  3. Die feldorientierte Regelung (FOC; Field Oriented Control), die seit geraumer Zeit vornehmlich zum Einsatz kommt, ist wesentlich effizienter als die herkömmliche trapezförmige oder sinusförmige Ansteuerung.

Grundsätzlich ermöglicht FOC einen effizienteren Betrieb, der alle Motordrehzahlen abdeckt. Die Technik adressiert die schlechte Regelungsgenauigkeit niedriger Drehzahlen, wie sie bei der trapezförmigen Ansteuerung auftritt und beseitigt die zeitlichen Verzögerungen, die bei einer sinusförmigen Ansteuerung auftreten, sobald der Motor mit hoher Drehzahl läuft. FOC erfordert jedoch die schnelle Umwandlung der erfassten Statorstromsignale in Spannungssteuersignale. Erfolgt dies in Software, können die Datenverarbeitungsressourcen des Systems zu stark belastet werden. Ungenügende Rechenressourcen begrenzen dann möglicherweise die erreichbaren Motordrehzahlen.
 

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Anstatt zu versuchen, das Problem rein mit Software zu lösen, ist dedizierte FOC Hardware die bessere Lösung. Allerdings können hardwarebasierte Lösungen unflexibel sein und den Entwicklern wenig Spielraum bieten, um das System für bestimmte Anwendungskriterien zu optimieren. Die Vector Engine (VE), die in immer mehr ICs von Toshiba integriert ist, sorgt jedoch für eine optimale Lösung.

Die VE ist eine anpassbare FOC-Ansteuerungsplattform, die komplexe Vektor-Reglungsgleichungen neben anpassbarer Firmware enthält. Dies verringert den Software-Overhead erheblich, wodurch sich die damit verbundene Datenverarbeitungsbelastung verringert. Höhere Drehzahlen werden unterstützt und der Energieverbrauch wird gedrosselt. Entwickler haben die Möglichkeit, ihre eigene Software (IP) zu entwickeln oder vorhandenes IP zu nutzen, das mit der Plattform bereitgestellt wird.

Um mehr über neueste Antriebstechnik und die zugehörigen Mikrocontroller zu erfahren, klicken Sie bitte hier.

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