Ingenieurbüro für Leistungselektronik und Antriebe
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Leistungselektronik

Umrichter für eine bürstenlose DC-Maschine (BLDC)

Für interne Versuche wurde ein einfacher Umrichter entworfen und als Prototyp aufgebaut. Er ermöglicht den Betrieb permanentmagnetisch erregter Synchronmaschinen kleiner Leistung. Das aktuelle Leiterplattenlayout ist für Zwischenkreisspannungen bis zu 30 V ausgelegt.

Wie aus dem Schaltplan (rechts, anklicken zum Vergrößern) ersichtlich ist, besteht der Umrichter aus drei MOSFET-Halbbrücken. Diese werden über integrierte Halbbrückentreiber angesteuert. Nach Anpassung von Isolationsabständen und Spannungsversorgung ist die Schaltung prinzipiell auch für höhere Spannungen, beispielsweise die gleichgerichtete Netzspannung, geeignet.

Die Erzeugung der Ansteuersignale erfolgt durch den dreiphasigen Pulsweitenmodulator der Atmel ATmega32U4 MCU. Der Modulator besitzt für jede der drei Halbbrücken zwei komplementäre Ausgänge mit einstellbarer Totzeit. Der dem Modulator zugeordnete Timer kann über die interne PLL der MCU mit bis zu 64 MHz getaktet werden und ermöglicht damit prinzipiell die Erzeugung von Grundschwingungsfrequenzen bis zu 100 kHz. Eine weitere Besonderheit des Pulsweitenmodulators ist die sogenannte Fault Protection Unit, die die Ausgänge des Modulators im Fehlerfall sofort und unabhängig von MCU und Programmablauf, ohne Interrupt-Latenzzeiten sperren kann, beispielsweise in Folge eines Überstroms.

Die vorliegende Schaltung erfasst den Strom im Gleichspannungszwischenkreis über einen Shuntwiderstand in der negativen Sammelschiene. Dieses Stromsignal wird sowohl dem Analog-Digital-Wandler zugeführt als auch der erwähnten Überstrom-Schutzschaltung. Auf der Leiterplatte befindet sich darüber hinaus eine Baugruppe zur sensorlosen Erfassung der Rotorlage, welche die dritte Harmonische der Klemmenspannung auswertet. Zusätzlich ist der direkte Anschluss eines einfachen Lagegebers mit einer Auflösung von 60° (el.) möglich.

Der Umrichter bietet sich als Versuchsträger für Funktionsmuster, beispielsweise für die Implementierung neuer Regelverfahren oder als Objekt für praktische Versuche im Rahmen von Schulungen an.