Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) zeichnen sich durch außergewöhnlichen Wirkungsgrad, kompakte Bauweise und hohe Drehmomentdichte aus, was sie ideal für Elektrofahrzeuge, Robotik und industrielle Automatisierung macht – ihre Leistung hängt dabei von einer präzisen Regelungsstrategie ab.

Beide Techniken zielen darauf ab, die Drehmomententfaltung und den Wirkungsgrad zu optimieren und gleichzeitig Welligkeit und Reaktionszeit zu minimieren. Ihre zugrunde liegenden Prinzipien, die Komplexität der Umsetzung und die Leistungsmerkmale unterscheiden sich jedoch erheblich.

Überblick über die PMSM-Steuerung

Grundlagen von Permanentmagnet-Synchronmotoren

PMSMs verfügen über Permanentmagnete am Rotor, die das Magnetfeld erzeugen, während die dreiphasigen Wicklungen des Stators ein Drehfeld erzeugen, das die Rotation synchron antreibt.

Zu den wichtigsten Gleichungen, die die Dynamik von PMSMs beschreiben, gehören:

Te​=2/3​p(ψd​iq​−ψq​id​)

wobei:

• Te = elektromagnetisches Drehmoment
• P = Anzahl der Polpaare
• ψd = Flussverbindungen in der d- und q-Achse
• id,iq = Stromkomponenten entlang der d- und q-Achse

Das Hauptziel des Regelsystems besteht darin, id und id​ präzise zu steuern, um die gewünschten Drehmoment- und Flusswerte zu erreichen.

Feldorientierte Regelung (FOC)

Funktionsprinzip

Die feldorientierte Regelung, auch als Vektorregelung bekannt, transformiert die dreiphasigen Statorströme in ein rotierendes Bezugssystem (d–q-System). Diese Transformation entkoppelt Drehmoment und Fluss und ermöglicht eine unabhängige, DC-motorähnliche Regelung der PMSM-Ströme.

Die einzelnen Schritte sind:

• Messen der Statorströme ia, ib, ic.
• Umwandlung in id und iq​ unter Verwendung der Clarke- und Park-Transformationen.
• Regeln Sie idi_did (Fluss) und iqi_qiq (Drehmoment) unabhängig voneinander mit PI-Reglern.
• Inverse Transformation zurück zu den Dreiphasenspannungen für die PWM-Modulation.

Diese Entkopplung ermöglicht eine präzise Drehmoment- und Drehzahlregelung unter dynamischen Lastbedingungen.

FOC-Regelstruktur

Stufe	Beschreibung	Funktion
Strommessung	Erfasst die Phasenströme ia, ibi_a, i_bia, ib	Eingaben für Transformationen
Clarke-Transformation	Wandelt 3-phasig in 2-phasig (α–β) um	Vereinfacht Berechnungen
Park-Transformation	Wandelt α–β in d–q-Drehkoordinatensystem um	Trennt Drehmoment und Fluss
PI-Regler	Regelt idi_did und iqi_qiq	Hält das gewünschte Drehmoment und den gewünschten Fluss aufrecht
Inverse Park-Transformation	Wandelt die Regelausgänge wieder in 3-Phasen-Signale um	Speist den PWM-Wechselrichter
PWM-Erzeugung	Moduliert die Umschaltung des Wechselrichters	Legt Spannung an den PMSM an

Vorteile von FOC

• Gleichmäßige Drehmomentabgabe – Dank sinusförmiger Stromregelung ist die Drehmomentwelligkeit minimal.
• Hoher Wirkungsgrad – Die Magnetfeldausrichtung minimiert Kupfer- und Eisenverluste.
• Breiter Drehzahlbereich – Effektive Feldschwächung für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
• Stabile Regelung – Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) sorgen für konstante Leistung bei variabler Last.

Einschränkungen von FOC

• Komplexe Implementierung – Erfordert mehrere Koordinatentransformationen und Rotorpositionssensoren.
• Parameterempfindlichkeit – Abhängig von genauen Motorparametern (Widerstand, Induktivität, Flussbindung).
• Mäßiges dynamisches Ansprechverhalten – Etwas langsamere Drehmomentansprache im Vergleich zu DTC aufgrund von Stromregelkreisen.

Direkte Drehmomentsteuerung (DTC)

Funktionsprinzip

Die direkte Drehmomentsteuerung regelt das Drehmoment und den Statorfluss des PMSM direkt, ohne auf Stromregelkreise oder PWM-Modulation zurückzugreifen. Stattdessen wählt sie die Spannungsvektoren des Wechselrichters auf der Grundlage von Echtzeit-Drehmoment- und Flussrückmeldungen aus.

Kernkonzept:

• Berechnung des momentanen Statorflusses und Drehmoments.
• Vergleich mit Sollwerten unter Verwendung von Hysterese-Reglern.
• Auswahl des optimalen Spannungsvektors aus einer vordefinierten Tabelle, um Abweichungen sofort zu korrigieren.

DTC-Regelstruktur

Stufe	Beschreibung	Funktion
Spannungs- und Strommessung	Misst Statorspannungen/-ströme	Eingaben für die Fluss- und Drehmomentschätzung
Flussschätzung	Berechnet den Statorflussvektor	Bestimmt die Stärke des Magnetfelds
Drehmomentschätzung	Berechnet das elektromagnetische Drehmoment	Überwacht die Motorleistung
Hysterese-Regler	Vergleich von Ist- und Soll-Drehmoment/Fluss	Erzeugt Schaltsignale
Schalttabelle	Wählt den geeigneten Umrichtervektor aus	Steuert Drehmoment und Fluss direkt
Umrichter	Wendet den ausgewählten Spannungsvektor an	Passt den elektromagnetischen Zustand des Motors an

Vorteile von DTC

• Schnelle Drehmomentansprache – Hervorragende dynamische Leistung durch direkte Regelung.
• Keine Koordinatentransformationen – Vereinfacht die Berechnung im Vergleich zu FOC.
• Keine PI-Regler oder PWM erforderlich – Reduziert die Verarbeitungsverzögerung.
• Robustheit – Geringere Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Motorparameter.

Einschränkungen von DTC

• Höhere Drehmomentwelligkeit – Die hysterese-basierte Regelung erzeugt Drehmoment- und Flussschwankungen.
• Variable Schaltfrequenz – Erhöht die Komplexität des Umrichterdesigns und der Filterung.
• Geringerer Wirkungsgrad im stationären Betrieb – Welligkeitsverluste können den Systemwirkungsgrad verringern.
• Schwierige Flusssteuerung bei niedriger Drehzahl – Die Genauigkeit der Flussschätzung nimmt bei niedriger Spannung ab.

Vergleichende Analyse: FOC vs. DTC

Aspekt	Feldorientierte Regelung (FOC)	Direkte Drehmomentsteuerung (DTC)
Grundprinzip	Vektorregelung mit entkoppelter Stromregelung	Direkte Drehmoment- und Flusssteuerung über Hysterese
Regelgrößen	id, iqi_d, i_qid, iq (Stromkomponenten)	Drehmoment und Statorfluss
Dynamisches Verhalten	Mäßig	Sehr schnell
Drehmomentwelligkeit	Gering	Hoch
Schaltfrequenz	Konstant (über PWM)	Variabel
Implementierungskomplexität	Hoch (Transformationen + PI-Regelung)	Mäßig (Nachschlagetabellen + Schätzung)
Parameterempfindlichkeit	Hoch	Gering
Wirkungsgrad (stationärer Zustand)	Hoch	Mäßig
Leistung bei niedrigen Drehzahlen	Ausgezeichnet	Schlecht (Problem bei der Flussschätzung)
Hardware-Anforderungen	Rotorpositionssensor, Stromsensoren	Spannungs- und Stromsensoren
Rechenaufwand	Hoch	Gering
Anwendungsbeispiele	Präzisionsbewegungssteuerung, Servoantriebe, Robotik	Antriebstechnik, Elektrofahrzeuge, Anwendungen, die eine schnelle Drehmomentansprache erfordern

Vergleich der dynamischen Leistung

Um die Unterschiede zu veranschaulichen, vergleicht das folgende Beispiel die FOC- und DTC-Steuerung in einem PMSM mit einer Nennleistung von 5 kW und 3000 U/min unter einem schrittweisen Drehmomentbefehl:

Leistungskennzahl	FOC	DTC
Drehmomentanstiegszeit	2,8 ms	1,1 ms
Drehmomentwelligkeit	2 %	8 %
Drehzahlüberschwingen	3 %	6 %
Wirkungsgrad bei Nennlast	95 %	91
Schaltfrequenz	Fest (10 kHz)	Variabel (5–20 kHz)

Diese Ergebnisse zeigen, dass DTC eine überlegene Transientenantwort bietet, während FOC einen gleichmäßigeren und effizienteren stationären Betrieb gewährleistet.

Praktische Überlegungen zur Implementierung

Anforderungen an die Sensorik

• FOC verwendet typischerweise einen Rotorpositionssensor (Resolver, Encoder oder Hall-Sensoren) für Koordinatentransformationen. Es gibt zwar sensorlose FOC-Verfahren, diese erfordern jedoch komplexe Beobachter.
• DTC hingegen kann sensorlos arbeiten, indem es Spannungs- und Strommessungen zur Flussschätzung nutzt, was jedoch bei niedrigen Drehzahlen an Genauigkeit verliert.

Rechenaufwand

FOC erfordert Echtzeit-Transformationen (Clarke, Park, inverse Park) und PI-Regler für sowohl die d- als auch die q-Achse. DTC vermeidet diese Berechnungen, doch häufige Drehmoment- und Flussschätzungen erfordern weiterhin hohe Abtastraten.

Wechselrichter- und Schaltdesign

Da DTC eine variable Schaltfrequenz verwendet, muss das Wechselrichterdesign einen größeren Betriebsbereich abdecken, was oft zu einer erhöhten thermischen Belastung der Leistungsbauelemente führt. FOC vereinfacht durch die Verwendung von PWM mit konstanter Frequenz das thermische Management des Wechselrichters.

Anwendungsbereiche

Anwendung	Bevorzugte Regelungsstrategie	Grund
Elektrofahrzeuge (EVs)	DTC	Schnelle Drehmomentansprache, bessere Beschleunigungssteuerung
Robotik und Automatisierung	FOC	Sanfte Bewegung und präzise Drehmomentregelung
Werkzeugmaschinen	FOC	Geringe Drehmomentwelligkeit – entscheidend für die Präzisionsbearbeitung
Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt	FOC	Hohe Zuverlässigkeit und geräuscharmer Betrieb
Aufzüge und Kräne	DTC	Hohe Dynamik bei plötzlichen Lastwechseln
HLK und Kompressoren	FOC	Energieeffizienter Betrieb mit konstanter Drehzahl

Hybride und moderne Verbesserungen

Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, die Laufruhe von FOC und die Geschwindigkeit von DTC durch hybride FOC-DTC-Methoden oder Rahmenwerke der modellprädiktiven Regelung (MPC) zu kombinieren.
Zu den Trends gehören:

• Modellprädiktive Drehmomentsteuerung (MPTC) – Verbessert DTC durch prädiktive Algorithmen für das Umschalten bei fester Frequenz.
• Sensorlose FOC-DTC-Hybride – Integrieren Flussschätzung für den sensorlosen Betrieb unter Beibehaltung der Laufruhe von FOC.
• KI-basierte Regler – Maschinelles Lernen und adaptive neuronale Regler setzen sich zunehmend durch, um Verstärkungen und Hystereseschwellen automatisch abzustimmen.
• Raumvektormodulation (SVM) in DTC – Reduziert Drehmomentwelligkeit und stabilisiert die Schaltfrequenz, wodurch die Lücke zwischen den beiden Strategien geschlossen wird.

Die Wahl zwischen FOC und DTC

Die Wahl zwischen FOC und DTC hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab:

Konstruktionspriorität	Empfohlene Strategie
Hohe Drehmomentantwort	DTC
Minimale Drehmomentwelligkeit	FOC
Vereinfachte Steuerungsimplementierung	DTC
Hoher Wirkungsgrad und Präzision	FOC
Genauigkeit bei niedrigen Drehzahlen	FOC
Sensorloser Betrieb	DTC
Kostengünstige Hardware	DTC
Stabile thermische Belastung	FOC

Zukunftsaussichten

Dank der Fortschritte bei digitalen Signalprozessoren (DSPs) und feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) ist die Implementierung von sowohl FOC als auch DTC praktischer und kostengünstiger geworden. Ingenieure können nun hybride Konzepte realisieren, die die schnelle Dynamik von DTC und die gleichmäßige Leistung von FOC nutzen. Darüber hinaus ebnen KI-gesteuerte Parameteridentifikation und adaptive Regelung den Weg für selbstoptimierende PMSM-Systeme und verringern die Abhängigkeit von manueller Abstimmung.

Der Fokus liegt weiterhin auf der Erreichung von:

• Höhere Energieeffizienz
• Reduzierte Drehmomentwelligkeit
• Vereinfachte Hardware
• Einheitliche hybride Regelungsmodelle

Da die Elektrifizierung zunehmend in die Bereiche Mobilität, Fertigung und erneuerbare Energiesysteme vordringt, bleibt die Auswahl der optimalen Regelungsstrategie ein entscheidender Faktor für die Systemleistung und -zuverlässigkeit.

• Sowohl die feldorientierte Regelung (FOC) als auch die direkte Drehmomentsteuerung (DTC) sind bewährte Strategien für den Betrieb von PMSM und bieten jeweils eigene Vorteile.
• FOC zeichnet sich durch eine gleichmäßige Drehmomenterzeugung, präzise Regelung und Energieeffizienz aus und eignet sich daher für Robotik-, Automatisierungs- und Servoanwendungen.
• DTC bietet eine schnellere Drehmomentansprache und eine einfachere Implementierung und ist damit ideal für Antriebe und Systeme, die eine schnelle dynamische Leistung erfordern.

In der modernen Motorsteuerungstechnik verschwimmt die Grenze zwischen FOC und DTC zunehmend, da sich Hybridsysteme und prädiktive Algorithmen weiterentwickeln – sie vereinen das Beste aus beiden Welten, um intelligentere, schnellere und effizientere PMSM-Antriebe zu ermöglichen.