Feldorientierte Regelung (FOC) ist ein rein mathematisches Transformationsverfahren zur Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren und Drehstrom-Asynchronmotoren. Aufgrund ihres Potenzials zur Verbesserung der Regelungsleistung und Reduzierung des Energieverbrauchs hat sie sich zu einem wichtigen Schwerpunkt in der Antriebstechnik entwickelt. Die FOC-Technologie ist der standardmäßigen Trapezkommutierung für bürstenlose Gleichstrommotoren auf Basis von Hall-Sensoren überlegen und ermöglicht durch eine komplexere und fortschrittlichere Sinuskommutierung einen größeren Drehzahlbereich. Für Asynchronmotoren stellt die FOC-Technologie eine deutliche Verbesserung gegenüber der Standard-Frequenzumrichtertechnologie dar. Die FOC-Technologie ist der Flussvektorregelung sehr ähnlich, mit der kostengünstige Drehstrom-Asynchronmotoren eine ähnliche Leistung wie teure bürstenlose Gleichstrommotoren erzielen können. Tatsächlich verwenden viele Anbieter diese beiden Verfahren synonym. Verglichen mit anderen Servomotortypen, wie beispielsweise den in vielen wichtigen Bereichen noch immer eingesetzten Bürsten-Gleichstrommotoren, bieten bürstenlose Gleichstrommotoren und Drehstrom-Asynchronmotoren eine höhere Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Drehstrom-Asynchronmotoren sind zudem kostengünstiger. Um diese Vorteile voll auszuschöpfen, setzen Entwickler von Bewegungssteuerungen auf Hochgeschwindigkeits-Algorithmenplattformen mit digitalen Signalprozessoren (DSPs) oder dedizierten Mikroprozessoren, um Leistung und Effizienz zu verbessern. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren führt eine höhere Leistung zu einem ruhigeren Lauf und einem größeren Drehzahlbereich. Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren sind die potenziellen Vorteile noch deutlich größer. Im Vergleich zur einfachen Ein/Aus-Steuerung kann die FOC-Technologie die Motoreffizienz steigern, die Wärmeentwicklung reduzieren und somit kleinere Motoren ermöglichen. Die FOC-Technologie unterstützt außerdem Funktionen wie die Umkehrdrehrichtung, wodurch Bremsen und Kupplungen überflüssig werden. Da in den USA 60 bis 65 % des gesamten Energieverbrauchs auf Antriebsmotoren entfallen, wird dies die Marktnachfrage nach höherer Energieeffizienz zweifellos ankurbeln. Magnetkraft: Aus Sicht der Drehmomenterzeugung dient ein einfacher Magnetstab als gutes Arbeitsmodell für die meisten Motoren. Der Magnetstab, der als Rotormodell fungiert, rotiert um seinen eigenen Mittelpunkt und interagiert mit dem Magnetfeld, das von den feststehenden Spulen am Stator erzeugt wird. Das Rotormagnetfeld eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird durch direkt am Rotor montierte Permanentmagnete erzeugt, während das Rotormagnetfeld eines Wechselstrom-Induktionsmotors durch die Induktion des rotierenden Magnetfelds des Stators entsteht (daher der Name „Induktionsmotor“). Im Gegensatz zu bürstenlosen Gleichstrommotoren hängt die Richtung dieses Magnetfelds von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Erregerfrequenz und der Erregerstrom des Stators, die Rotordrehzahl und das Lastdrehmoment des Motors. Die Statorspulen eines bürstenlosen Gleichstrommotors weisen typischerweise eine dreiphasige Struktur auf, ähnlich der Wicklungskonfiguration eines Wechselstrom-Induktionsmotors, der FOC-Technologie (Focus on Oriented Control) nutzen kann. Einphasen-Induktionsmotoren sind die Antriebsquelle für die meisten Haushaltsgeräte wie Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen und Trockner. Da ihre Statorspulen nicht separat angesteuert werden können, können sie diese fortschrittlichste Vektorregelungstechnologie noch nicht nutzen. Die dreiphasigen Statorwicklungen sind in jedem Fall gleichmäßig um 120 elektrische Grad verdreht, und die resultierende Kraft trägt maßgeblich zur effektiven Rotation des Motors bei. Da die Erregungsphasen der einzelnen Phasenspulen unterschiedlich sind, kann ihre Wechselwirkung entweder eine magnetische Kraft erzeugen, die kein Drehmoment erzeugt, oder eine magnetische Kraft, die eine Drehbewegung erzeugt. Diese beiden Arten von magnetischen Kräften werden üblicherweise als Quadraturachsenkomponente (Q) bzw. Direktachsenkomponente (D) bezeichnet. Die Quadraturachsenkomponente, die ein effektives Drehmoment erzeugt (nicht zu verwechseln mit dem orthogonalen Codierungsverfahren von Positionsrückkopplungssystemen), verläuft senkrecht zur magnetischen Polachse des Rotors, während die Direktachsenkomponente, die kein Drehmoment erzeugt, parallel zur magnetischen Polachse des Rotors verläuft. Diese Vektorbeziehung ist in Abbildung 1 dargestellt. Entscheidend für die Erzeugung einer Drehbewegung ist die Maximierung der Q-Achsenkomponente bei gleichzeitiger Minimierung der D-Achsenkomponente. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ist dies, zumindest konzeptionell, relativ einfach zu realisieren, da die Permanentmagnete direkt am Rotor montiert sind. Wird der Rotorwinkel mittels eines Hall-Sensors oder Positionsgebers erfasst, lässt sich die Richtung des Rotormagnetfelds bestimmen. Bei der sensorlosen Regelung von Drehzahl und Drehmoment ergeben sich interessantere Methoden. Da die Rotorposition nicht direkt mechanisch erfasst wird, muss der Rotorwinkel aus der induzierten Gegenspannung der Dreiphasenwicklung berechnet werden. Obwohl diese Methode der Gegenspannungskontrolle nicht ganz einfach ist, ist sie mittlerweile weit verbreitet. Wichtig ist jedoch zu beachten, dass die induzierte Gegenspannung eine Rotation des Motors voraussetzt. Daher ist dieses Verfahren ungeeignet für Positioniersteuerungsanwendungen, bei denen der Motor zeitweise in einer festen Position fixiert werden muss. Ein ähnlicher Ansatz lässt sich für Drehstrom-Induktionsmotoren verwenden. Da eine bestimmte Amplitude des induzierten magnetischen Flusses aufrechterhalten werden muss, kann die D-Achsen-Komponente nicht null sein; stattdessen wird sie durch eine kleine, von den Motorkennlinien abhängige Konstante ersetzt. Darüber hinaus reicht die Erfassung der Rotorposition mittels Hall-Effekt-Sensoren oder Encodern nicht aus, um den Magnetfeldwinkel des Rotors zu bestimmen, da auch diese Methode nicht den exakten Winkel des induzierten Magnetfelds liefert, welches sich ständig ändert. Diese Differenz zwischen Rotorposition und Magnetfeldwinkel wird als Schlupfwinkel bezeichnet. Je größer das tatsächlich auf den Motor wirkende Drehmoment, desto größer der Schlupf und desto höher das vom Motor erzeugte Kompensationsdrehmoment. Dieses Gleichgewicht ähnelt einem hydraulischen Getriebe: Je größer die Drehzahldifferenz zwischen Motor und Rädern, desto größer das vom Getriebe erzeugte Drehmoment. Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Motors niedriger ist als die Ansteuerfrequenz des Stators. Bei den meisten konventionellen Anwendungen von Drehstrom-Induktionsmotoren stellt der durch Schlupf verursachte Drehzahlabfall oft kein Problem dar. Bei Positionieranwendungen oder im Betrieb mit maximalem Wirkungsgrad muss der Schlupf jedoch präzise kontrolliert werden. Verschiedene Methoden können dieses Ziel erreichen, alle erfordern jedoch die Erfassung oder Schätzung des induzierten elektromagnetischen Felds des Rotors. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Verwendung der Gegen-EMK-Technologie eine gängige Methode ist, um dieses Ziel zu erreichen. Eine weitere gängige Methode ist die Flussvektorregelung. Dabei wird der mechanische Rotorwinkel erfasst und mithilfe von Algorithmen verschiedene Motorkennwerte geschätzt, um den Magnetfeldwinkel des Rotors zu bestimmen. Die feldorientierte Regelung (FOC) bietet ein breites Spektrum an nutzbaren Motordrehzahlen und hat sich daher zu einer wichtigen Antriebs- und Kommutierungsmethode für bürstenlose Gleichstrommotoren sowie zu einer der Regelungsmethoden für Drehstrom-Asynchronmotoren entwickelt. Hier ist ein Vergleich der FOC-Methode mit der sinusförmigen Kommutierungsmethode erforderlich. Letztere ist die am häufigsten verwendete Methode zur Steuerung von High-End-bürstenlosen Gleichstrommotoren mittels Encoder-Rückkopplung. Abbildung 2 zeigt den gesamten Regelungsablauf der sinusförmigen Kommutierungsmethode und der FOC-Methode. Die sinusförmige Regelungsmethode vektorisiert die Drehmomentbefehle mithilfe einer sinusförmigen Nachschlagetabelle und liefert so individuelle Befehle für jede Phasenwicklung des Motors. Mit der Vorwärtsbewegung des Rotors ändert sich auch der Winkel in der Nachschlagetabelle. Sobald der vektorisierte Phasenstrombefehl generiert ist, wird er an den entsprechenden Stromregelkreis jeder Phasenwicklung gesendet, um den tatsächlichen Wicklungsstrom an den Sollwert anzupassen. Ein wesentliches Merkmal dieser Methode ist, dass die Einhaltung des Sollstroms mit steigender Motordrehzahl zunehmend schwieriger wird. Dies liegt daran, dass der Stromregelkreis direkt von der Drehzahl abgeleitet wird und jede Verzögerung im Stromregelkreis (die bis zu einem gewissen Grad unvermeidbar ist) eine Abweichung zwischen dem tatsächlichen Statordrehmoment und dem Sollwert verursacht. Diese Verzögerung ist bei niedrigen Drehzahlen vernachlässigbar, kann aber bei höheren Drehzahlen einen unerwünschten Anstieg des Drehmoments in der D-Achse und damit eine Reduzierung des effektiven Drehmoments verursachen. Aus regelungstechnischer Sicht besteht der Unterschied zwischen der feldorientierten Regelung (FOC) und der oben beschriebenen Methode darin, dass der Stromregelkreis nicht von der Motordrehzahl abhängt; er arbeitet also unabhängig von der Motordrehzahl. Bei der FOC-Methode existieren zwei separate Stromregelkreise: einer für das Drehmoment in der Q-Achse und einer für das Drehmoment in der D-Achse. Der Drehmoment-Strom-Regelkreis der Q-Achse steuert das vom Servoregler vorgegebene Drehmoment an, während der Strom-Regelkreis der D-Achse einen Null-Eingangs-Befehl ausgibt, um unerwünschte Komponenten in der direkten Achse zu minimieren. Der Schlüssel dazu liegt in einem rein mathematischen Transformationsalgorithmus, der sogenannten Park-Clarke-Transformation. Diese wandelt den vektorisierten Phasenwinkel in ein entkoppeltes Referenzkoordinatensystem für die D- und Q-Achse um. Die Transformation wird zweimal durchgeführt: Zuerst werden die Ausgänge der Regelkreise für die D- und Q-Achse in dreiphasige Motorbefehle umgewandelt; anschließend werden die erfassten Rotorwinkel zurück in das Referenzkoordinatensystem für die D- und Q-Achse transformiert. Diese Transformationsverfahren existieren bereits seit vielen Jahren und warteten auf die Verfügbarkeit kostengünstiger, leistungsstarker DSPs und Mikroprozessoren, um ihre praktische Anwendung in bürstenlosen Gleichstrommotoren und Drehstrom-Asynchronmotorantrieben zu ermöglichen. Dieser Wunsch ist nun in Erfüllung gegangen. Drehstrom-Asynchronmotoren, die das feldorientierte Verfahren (FOC) nutzen, erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 85 %, verglichen mit nur etwa 60 % ohne dieses Verfahren. Im Vergleich dazu erreichen bürstenlose Gleichstrommotoren mit FOC-Verfahren sogar noch höhere Wirkungsgrade von bis zu 95 %. Bürstenlose Gleichstrommotoren mit sinusförmiger Kommutierung arbeiten zwar ebenfalls hocheffizient, können diesen Wirkungsgrad jedoch nicht über die sehr hohen Drehzahlbereiche des FOC-Verfahrens aufrechterhalten. Wo liegt also der Vorteil? Tatsächlich bestimmt die Wahl von Motor und Verstärker oft das verwendete Regelungsverfahren. Wird ein bürstenloser Gleichstrommotor zur Positionssteuerung eingesetzt, ist sensorlose Regelung nicht möglich. Sie benötigen einen Encoder und idealerweise auch Hall-Sensoren. Für optimale Motorleistung empfiehlt sich die feldorientierte Regelung (FOC). Sofern Sie nicht bereit sind, einen eigenen Verstärker zu entwickeln (was für die meisten eine große Herausforderung darstellt), sollten Sie einen fertigen Treiber mit dieser Funktionalität erwerben. Diese Treiberlösungen bieten typischerweise fortschrittliche Bewegungssteuerungsfunktionen wie Konturgenerierung, Positionsservo-Regelung und SPS-ähnliche Ein- und Ausgänge. Viele kompakte Einachs-Treiber bieten Hall-Sensor-basierte sinusförmige Kommutierung oder feldorientierte Regelung. Diese Treiber sind häufig mit klassischen RS/485-, CAN-Bus-, Ethernet- oder anderen seriellen Busschnittstellen ausgestattet. Sie müssen lediglich Motor und Netzteil anschließen und Befehle senden. Bei einem platinenbasierten Ansatz, egal ob Sie eine fertige Platine kaufen oder selbst entwickeln, ist die Umsetzung einer feldorientierten Steuerung (FOC) eingeschränkt. Dies liegt daran, dass die meisten Verstärker analoge ±10-V-Steuereingangssignale verwenden und keine FOC-Schnittstelle bieten. Diejenigen, die dies tun, sind in der Regel teuer, da die zusätzlichen diskreten Antriebsplatinen viele Funktionen enthalten, die Sie nicht benötigen. Es gibt jedoch auch gute Nachrichten: Viele Anbieter bieten eine sinusförmige Kommutierungssteuerung auf einer Antriebsplatine an, die zwei analoge ±10-V-Signale ausgibt, um die Sollströme für die Phasen A und B darzustellen. Für viele Anwendungen kann die sinusförmige Kommutierung eine deutliche Leistungsverbesserung gegenüber der Hall-Sensor-basierten Sechsphasenkommutierung bieten und ist somit eine praktikable Option im breiteren Anwendungsbereich der Antriebstechnik. Wenn Sie bürstenlose Gleichstrommotoren für Drehzahlregelungsanwendungen wie Zentrifugen, Förderbandantriebe oder andere Anwendungen ohne Positionierfunktion einsetzen, stehen Ihnen noch mehr Gestaltungsmöglichkeiten offen. Sensorlose Steuerung ist durchaus möglich, obwohl Antriebsprodukte mit sensorloser feldorientierter Steuerung noch relativ selten sind. Häufiger sind sensorlose Antriebe mit sinusförmiger Kommutierungsfunktionalität, die als Chip- oder Treiberlösungen erhältlich sind. Bei Wechselstrom-Induktionsmotoren liegt Ihr Fokus wahrscheinlich eher auf Drehzahl- oder Drehmomentanwendungen als auf Positionieranwendungen. Obwohl häufig in Fachzeitschriften darüber berichtet wird, sind Anwendungsfälle für die Positioniersteuerung von Wechselstrom-Induktionsmotoren – abgesehen von Sonderfällen wie extrem leistungsstarken Antrieben – noch selten. Kurz gesagt: Sie haben viele Optionen, die sich oft in die Kategorien Eigenentwicklung eines Treibers oder Kauf eines fertigen Treibers einteilen lassen. Wenn Sie sich für den Kauf eines Treibers entscheiden, ist die Leistungspalette sehr breit gefächert und reicht von einfacher Frequenzumrichtersteuerung bis hin zu fortschrittlichen feldorientierten und Vektorantrieben. Wenn Sie sich entscheiden, Ihre eigene Steuerkarte oder Ihren eigenen Verstärker zu entwickeln, ist eine einfache Drehzahlregelung mit variabler Frequenz nicht schwer zu realisieren, sofern Sie mit grundlegenden Wechselrichter-Designtechniken und der MOSFET- oder IGBT-Leistungsschalttechnik vertraut sind. Für komplexere Anwendungen können Sie auf handelsübliche Chips für die feldorientierte Steuerung von Drehstrom-Asynchronmotoren zurückgreifen. Fortschritte in der Steuerungstechnik, stetig steigende Anforderungen an die Energieeffizienz und die Kombination neuer, praktischer und kostengünstiger DSPs und Mikroprozessoren haben die Leistung von bürstenlosen Gleichstrommotoren und Drehstrom-Asynchronmotoren deutlich verbessert. Ob Sie nun Ihre eigene Steuerung entwickeln oder auf Standardprodukte zurückgreifen – die Kenntnis der Implementierung dieser neuen Technologien ist entscheidend für die Optimierung der Kosteneffizienz und die Verkürzung der Projektlaufzeiten.