Energieeffizienz ist zu einem entscheidenden Parameter für die Bewertung der Leistung von Haushaltsgeräten wie Kühlschränken und Waschmaschinen sowie von elektrischen Systemen in Gebäuden, beispielsweise Klimaanlagenkompressoren, geworden. Herkömmliche Induktionsmotoren arbeiten jedoch typischerweise mit einer festen, von der Netzfrequenz vorgegebenen Drehzahl und schalten lediglich zwischen Ein- und Aus-Zustand um, um eine bestimmte Temperatur zu halten. Dies führt zu Ineffizienz und oft zu Motoren, die größer, schwerer und teurer sind als für den gleichen Zweck erforderlich. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Ersatzschaltbild eines Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) [/ALIGN] Die Drehzahlregelung des Motors ermöglicht hingegen die Auswahl der effizientesten Betriebsdrehzahl unter normalen Betriebsbedingungen. Da allein die Drehzahlregelung die Effizienz um mehr als 30 % steigern kann, setzen Konstrukteure verstärkt auf drehzahlvariable Motorantriebe für Haushaltsgeräte der nächsten Generation. Die Herausforderungen der Drehzahlregelung: Die leistungsstarke Frequenzumrichtersteuerung von Induktionsmotoren stellt erhebliche technische Herausforderungen dar. Obwohl verschiedene Regelungsverfahren mit offenem und geschlossenem Regelkreis existieren, bleibt die Regelung hoher dynamischer Drehmomente aufgrund des nicht messbaren Rotorstroms und der großen, unvorhersehbaren Zeitkonstante des Rotorkreises sehr schwierig. Sobald die Rotorposition bekannt ist, lässt sich die Drehmomentregelung eines Synchronmotors hingegen recht einfach und unkompliziert realisieren. Ein weiterer Vorteil von Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) ist ihr deutlich höheres Dauerdrehmoment im Vergleich zu gleich großen Induktionsmotoren. Dies liegt daran, dass PMSM keinen Rotorstrom benötigen und einen inhärenten Wirkungsgradvorteil gegenüber Induktionsmotoren aufweisen. Um den Rotorpositionswinkel zu messen, müssen Konstrukteure jedoch einen teuren Resolver oder einen Hall-Sensor zur Wellenpositionsmessung einsetzen. Diese Faktoren beschränkten den Einsatz von drehzahlgeregelten PMSM bisher auf High-End-Industrieanlagen. Erst die sensorlose Regelung ermöglichte es, Drehzahlregler wirtschaftlicher und somit auch für Haushaltsgeräte einzusetzen. Frühe sensorlose Regelungsverfahren nutzten ein sechsstufiges Kommutierungsverfahren für die Motorwicklungen und schätzten die Rotorposition durch Messung der induzierten Gegenspannung (EMK) der offenen Wicklungen. Dieses Verfahren ermöglicht eine robuste Drehzahlregelung, kann jedoch kein gleichmäßiges Drehmoment garantieren. Erstens benötigt der Motor bei der sechsstufigen Kommutierungsmethode eine trapezförmige Gegen-EMK anstelle der üblichen Sinuswelle, um ein gleichmäßiges Drehmoment zu erzielen. Zweitens, und noch wichtiger, entstehen Drehmomentstörungen, wenn der Strom während der Kommutierung zwischen den Wicklungen wechselt. Dieses Problem tritt besonders bei hohen Drehzahlen auf, da die Gegen-EMK des Motors den Abfall des aus den Wicklungen fließenden Stroms verlangsamt und den schnellen Anstieg des in die Wicklungen fließenden Stroms hemmt. Drehmomentstörungen können in Ventilatoren, Waschmaschinen, Wasserpumpen und Klimaanlagen deutliche Geräusche verursachen, da Oberschwingungen im Motordrehmoment leicht mechanische Resonanzen im System hervorrufen können. Trotzdem kann dieser Regler aufgrund seiner Einfachheit weiterhin in Anwendungen eingesetzt werden, in denen keine gleichmäßige Drehmomentregelung erforderlich ist. Verbesserter sensorloser Algorithmus: Ein weiteres sensorloses Regelungsverfahren hat in den letzten Jahren aufgrund der kontinuierlichen Preissenkung von leistungsstarken DSPs und RISC-basierten Reglern an Popularität gewonnen, da es die Implementierung komplexerer Regelalgorithmen ermöglicht. Durch den Einsatz eines sensorlosen Stromreglers können Permanentmagnet-Synchronmotoren mit sinusförmigem Strom und sinusförmiger Spannung betrieben werden. Die Rotorposition wird anhand des gemessenen Motorstroms geschätzt. Das durch die sechsstufige Kommutierungsregelung verursachte Rauschen wird eliminiert, und der Algorithmus erzielt ein gleichmäßiges Drehmoment. Als Beispiel dient der von International Rectifier (IR) verwendete Rotorpositions-Schätzalgorithmus. Dieser Algorithmus basiert auf einem vereinfachten Modell eines Permanentmagnet-Synchronmotors (siehe Abbildung 1). Er nutzt das Prinzip, dass die Gegen-EMK der Motorwicklungen eine sinusförmige Funktion des Rotorwinkels ist. Im Modell (Abbildung 1) wird zunächst der Strom in den Statorspulen unter Statorspannung gemessen und die Gegen-EMK berechnet. Zur Bestimmung des Rotorwinkels werden diese Gegen-EMK-Terme integriert, um den Rotorfluss zu berechnen. Dieser ist drehzahlunabhängig und ermöglicht so eine präzise Schätzung des Rotorwinkels. Der Nachteil der Implementierung dieses Algorithmus mittels DSP oder RISC liegt im hohen Programmieraufwand und der damit verbundenen Fehleranfälligkeit. Dies erhöht den Entwicklungsaufwand für das Antriebsentwicklungsteam, verkompliziert das Projekt und erfordert zusätzliche, kostspielige Ingenieurskenntnisse und -erfahrung. Hardware-Portierung des Algorithmus: Um Programmierzeit und -kosten zu reduzieren, hat IR seinen Algorithmus in einem dedizierten Chipsatz hardwarebasiert implementiert. Dieser Chipsatz integriert die für einen voll funktionsfähigen PMSM-Frequenzumrichter erforderlichen Peripherie- und Leistungshalbleiter sowie einen dreiphasigen Wechselrichtertreiber-IC und einen Hochspannungsstrommess-IC, um die notwendige Verbindung zwischen dem digitalen Steuer-IC und dem Leistungsteil herzustellen. Durch den Wegfall von Softwarecode ermöglicht dieser hardwarebasierte Ansatz dem Frequenzumrichter, den Markt für Haushaltsgeräte im mittleren bis unteren Preissegment zu erschließen. Die Winkelbestimmungstechnologie der anpassbaren Hardwareplattform ist zentral für den Regelalgorithmus. Für die Implementierung des im Blockdiagramm von Abbildung 2 dargestellten Regelsystems sind jedoch viele weitere Technologien erforderlich. Der Regler umfasst einen externen Drehzahlregelkreis, der ein Referenzdrehmoment liefert, und einen internen Stromregelkreis, der die Wicklungsspannung steuert. Dieser Statorstromregelkreis ist in einem rotierenden Koordinatensystem mittels feldorientierter Regelung (FOC) implementiert. Ein mit dem Rotorwinkel variierender Rotationsvektor transformiert den Statorstrom in zwei orthogonale Gleichstromkomponenten, ID und IQ. Der IQ-Strom ist orthogonal zum Rotorfluss und erzeugt das Drehmoment. Der Referenzwert für IQ wird vom Ausgang des Drehzahlregelkreises abgenommen. Der ID-Strom ist parallel zum Rotorfluss und verstärkt bzw. schwächt diesen ab. In den meisten Drehzahlbereichen ist ID typischerweise auf null gesetzt. Sollte jedoch ein Drehzahlbereich mit konstanter Leistung erforderlich sein, kann ID angepasst werden, um den Rotorfluss zu reduzieren (Schwächungsbetrieb). Die IR Motion Control Engine (MCE), wie in Abbildung 3 dargestellt, integriert diese Algorithmen in einen Ein-Chip-IC. Eine AC-Motorsteuerungsbibliothek und weitere universelle Komponenten, darunter analoge Eingänge und Raumzeiger-PWM-Steuerung, sind auf dem Chip integriert und ermöglichen eine schnelle und direkte Konfiguration. Dies ermöglicht es Entwicklern von Steuerungssystemen, mithilfe grafischer Werkzeuge die passenden Komponenten aus der Bibliothek für den Systementwurf auszuwählen und anschließend mit einem grafischen Compiler den Systementwurf in eine Reihe von Anweisungen für die Bewegungssteuerungs-Engine zu übersetzen. Dabei werden die verschiedenen Hardware-Makromodule in der richtigen Reihenfolge verbunden, um einen spezifischen Regelalgorithmus zu implementieren. Zusammenfassend bietet die Möglichkeit, Induktionsmotoren mit konstanter Drehzahl durch kleinere und kostengünstigere Permanentmagnet-Synchronmotoren zu ersetzen und so variable Drehzahlen effizienter und umweltfreundlicher zu realisieren, Ingenieuren enorme Chancen. Sensorlose Regelalgorithmen bieten eine überlegene Lösung mit geringen Hardwarekosten, laufen jedoch typischerweise auf DSPs oder RISCs, was von Entwicklern umfassende Softwareentwicklungskenntnisse erfordert. Eine neue Designplattform, basierend auf einem dedizierten sensorlosen Controller-IC und integrierter Bewegungssteuerungs-Engine (MCE), erfüllt die Anforderungen von Entwicklern. Die MCE enthält alle Steuerelemente, die für die Implementierung einer geschlossenen sensorlosen Sinusregelung erforderlich sind. So können Entwickler modernste Technologie einsetzen, um die regulatorischen und Verbraucheranforderungen an höhere Effizienz bei Ventilatoren, Pumpen, Klimaanlagen und Haushaltsgeräten der nächsten Generation zu erfüllen. Die Möglichkeit, Induktionsmotoren mit konstanter Drehzahl durch kleinere und kostengünstigere Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zu ersetzen und so eine effizientere und umweltfreundlichere Drehzahlregelung zu ermöglichen, eröffnet Ingenieuren enormes Potenzial. Sensorlose Regelalgorithmen bieten eine überlegene Lösung mit geringen Hardwarekosten, laufen jedoch typischerweise auf DSPs oder RISCs und erfordern daher umfassende Softwareentwicklungskenntnisse. Das Systemdesign wird von der Motion Control Engine (MCE) in eine Reihe von Anweisungen übersetzt, die verschiedene Hardware-Makromodule in der richtigen Reihenfolge verbinden, um einen spezifischen Regelalgorithmus zu implementieren. Eine neue Designplattform, basierend auf einem dedizierten sensorlosen Controller-IC mit integrierter MCE, erfüllt die Anforderungen von Entwicklern. Die MCE umfasst alle Steuerungselemente, die für eine geschlossene sensorlose sinusförmige Regelung erforderlich sind, und ermöglicht es Entwicklern, modernste Technologie einzusetzen, um die regulatorischen und Verbraucheranforderungen an höhere Effizienz bei Ventilatoren, Pumpen, Klimaanlagen und Haushaltsgeräten der nächsten Generation zu erfüllen.