Bürstenbehaftete Gleichstrommotoren zählen zu den beliebtesten Elektromotoren in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der Haushaltsgeräte-, Industrie- und Automobilindustrie. Sie werden besonders wegen ihres einfachen Designs, ihrer Kosteneffizienz und ihres hohen Anlaufdrehmoments geschätzt.

Es gibt verschiedene Methoden zur Steuerung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren, die jeweils unterschiedliche Vorteile bieten. Die Wahl der Steuerungsmethode hängt von Faktoren wie Anwendungsanforderungen, Kosten, Komplexität und Leistungsanforderungen ab. Dieser Artikel untersucht vier gängige Steuerungsmethoden für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren, erörtert deren Vor- und Nachteile und gibt Hinweise zur Auswahl der richtigen Methode für Ihre Anwendung.

Einführung in bürstenbehaftete Gleichstrommotoren

Ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor (BDC) besteht aus Stator, Rotor (Anker), Kommutator und Bürsten. Der Motorbetrieb basiert auf dem mechanischen Kontakt zwischen Bürsten und Kommutator, der den Strom in den Rotorwicklungen umkehrt und so ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Diese Einfachheit macht BDC-Motoren für verschiedene Anwendungen geeignet, erfordert aber auch spezielle Steuerungsstrategien, um optimale Leistung, insbesondere hinsichtlich Drehzahl, Drehmoment und Drehrichtung, zu gewährleisten.

Vier gängige Steuerungsmethoden für bürstenbehaftete Gleichstrommotoren

Die Steuerung von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren erfolgt typischerweise über die Regelung der am Motor angelegten Spannung, die wiederum Drehzahl, Drehmoment und Drehrichtung des Motors steuert. Im Folgenden sind vier gängige Methoden zur Steuerung dieser Motoren aufgeführt:

• Ein-/Aus-Steuerung (Schaltsteuerung)
• Pulsweitenmodulation (PWM)
• Analoge Steuerung
• Regelung (Rückkopplungssteuerung)

Ein-/Aus-Steuerung (Schaltsteuerung)

Die Ein-/Aus-Steuerung, auch Binär- oder Schaltsteuerung genannt, ist die einfachste Methode zur Steuerung eines bürstenbehafteten Gleichstrommotors. Dabei wird der Motor entweder mit voller Spannung versorgt oder vollständig von der Stromversorgung getrennt. Diese Methode wird typischerweise in einfachen Anwendungen eingesetzt, bei denen keine präzise Steuerung von Motordrehzahl und -richtung erforderlich ist.

So funktioniert es:

• Der Motor ist entweder eingeschaltet (mit voller Spannung) oder ausgeschaltet (ohne Spannung).
• Der Motorbetrieb wird durch einen einfachen Schalter oder ein Relais gesteuert, das die Stromversorgung des Motors umschaltet.
• Eine Rückmeldung oder Modulation der Motordrehzahl erfolgt nicht.

Vorteile:

• Einfachheit: Die Ein-/Aus-Steuerung ist die einfachste und kostengünstigste Methode und erfordert nur wenige Komponenten.
• Kostengünstig: Diese Methode benötigt nur sehr wenig Schaltungsaufwand und ist daher äußerst erschwinglich.
• Geeignet für einfache Anwendungen: Ideal für Aufgaben, bei denen der Motor entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet sein muss, wie z. B. in Spielzeugen, einfachen Ventilatoren oder Kleingeräten.

Nachteile:

• Mangelnde Präzision: Es besteht keine Möglichkeit zur Kontrolle von Drehzahl oder Drehmoment.
• Hoher Verschleiß: Der Motor läuft entweder mit voller Drehzahl oder gar nicht, was zu einer Überlastung des Motors und höherem Verschleiß führen kann.

Anwendungen:

• Einfaches Spielzeug und Gadgets.
• Einfache Geräte ohne variable Geschwindigkeitsanforderungen.

Pulsweitenmodulation (PWM)-Steuerung

Durch schnelles Ein- und Ausschalten der Motorstromquelle reguliert PWM die an den Motor gelieferte Durchschnittsspannung. Die Durchschnittsspannung und damit die Drehzahl und das Drehmoment des Motors werden durch den Arbeitszyklus, also das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltzeit, bestimmt.

So funktioniert es:

• Die Motorleistung wird mit einer festen Frequenz gepulst, und die Einschaltdauer wird variiert, um die Motordrehzahl zu steuern.
• Der Tastgrad des Impulses bestimmt die effektive Spannung. Beispielsweise legt ein Tastgrad von 50 % 50 % der maximalen Spannung an den Motor an.
• Die Frequenz des PWM-Signals bleibt konstant, und die Motordrehzahl wird durch die Anpassung des Tastgrads bestimmt.

Vorteile:

• Effiziente Drehzahlregelung: PWM ermöglicht eine effiziente Regelung der Motordrehzahl, ohne dass Energie durch ohmsche Verluste verschwendet wird.
• Verbesserte Drehmomentregelung: Durch die Anpassung des Tastverhältnisses lässt sich das Drehmoment des Motors effektiver steuern.
• Geringe Erwärmung: Die hohe Schaltgeschwindigkeit der PWM reduziert die Erwärmung, die typischerweise durch ohmsche Verluste verursacht wird.
• Geringe Leistungsverluste: Da der Motor nur mit der benötigten Leistung versorgt wird, reduziert PWM die Energieverschwendung.

Nachteile:

Komplexität: PWM erfordert zusätzliche Komponenten wie Impulsgeneratoren und Regler, was die Komplexität im Vergleich zur Ein-/Aus-Steuerung erhöht.
Elektromagnetische Störungen (EMI): Hochfrequentes Schalten kann zu elektromagnetischen Störungen führen, die empfindliche Elektronik beeinträchtigen können.

Anwendungen:

• Robotik und Automatisierung.
• Gleichstromlüfter und -motoren mit variabler Drehzahlregelung.
• Elektrofahrzeuge und Elektroroller.
• Pumpen und Förderbänder mit einstellbarer Drehzahl.

Analoge Steuerung

Bei der analogen Steuerung wird eine variable Spannung verwendet, um die Drehzahl des bürstenbehafteten Gleichstrommotors zu regulieren. Durch Änderung der Eingangsspannung lässt sich die Motordrehzahl verändern. Diese Methode bietet eine einfache Möglichkeit zur Motorsteuerung, weist jedoch im Vergleich zur PWM-Steuerung Einschränkungen auf.

So funktioniert es:

• Ein variabler Widerstand, ein Potentiometer oder ein Spannungsregler dient zur Einstellung der dem Motor zugeführten Spannung.
• Mit steigender Eingangsspannung erhöht sich die Motordrehzahl proportional und umgekehrt.
• Diese Methode ist weniger effizient als PWM, da der Motor für bestimmte Aufgaben möglicherweise mit einer nicht optimalen Spannung betrieben wird.

Vorteile:

• Einfache Implementierung: Analoge Steuerschaltungen sind relativ einfach und kostengünstig.
• Gleichmäßige Steuerung: Die analoge Steuerung ermöglicht gleichmäßige, kontinuierliche Geschwindigkeitsanpassungen ohne die abrupten Übergänge einer Ein-/Aus-Steuerung.

Nachteile:

• Weniger effizient: Bei dieser Methode geht aufgrund von Widerstandsverlusten Energie in Form von Wärme verloren.
• Eingeschränkte Steuerung: Die analoge Steuerung ermöglicht keine präzise, ​​feinkörnige Drehzahl- oder Drehmomentregelung.
• Spannungsabhängigkeit: Für eine präzise Motorsteuerung ist eine stabile Stromversorgung erforderlich.

Anwendungen:

• Einfache Drehzahlregelungsanwendungen wie elektrische Lüfter und kleine elektrische Pumpen.
• Anwendungen, bei denen Energieeffizienz keine oberste Priorität hat.

Regelung (Rückkopplungsregelung)

Die Regelung mit geschlossenem Regelkreis (auch Rückkopplungsregelung genannt) überwacht die Motorleistung mithilfe von Sensoren und passt das Eingangssignal entsprechend an, um die gewünschte Drehzahl oder das gewünschte Drehmoment aufrechtzuerhalten. Dieser Ansatz ist ausgefeilter als die anderen, da er kontinuierliche Anpassungen auf Grundlage in Echtzeit erfasster Daten ermöglicht und so eine präzisere und zuverlässigere Motorsteuerung ermöglicht.

So funktioniert es:

• Ein Rückmeldegerät (z. B. Encoder, Drehzahlmesser oder Hall-Sensor) misst die Drehzahl oder Position des Motors.
• Die Rückmeldung wird an einen Regler zurückgespeist, der die tatsächliche Drehzahl mit der gewünschten Drehzahl vergleicht und die Motorleistung entsprechend anpasst.
• Der Regler optimiert kontinuierlich die Motorleistung und gewährleistet so eine konstante Drehzahl bzw. ein konstantes Drehmoment bei unterschiedlichen Belastungen.

Vorteile:

• Präzisionssteuerung: Die Regelung ermöglicht eine präzise Steuerung von Drehzahl, Drehmoment und Position.
• Anpassbarkeit: Der Motor reagiert auf Laständerungen und äußere Bedingungen und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die konstante Leistung erfordern.
• Gesteigerte Effizienz: Rückkopplungssysteme sorgen für einen optimalen Motorbetrieb und minimieren Energieverschwendung.

Nachteile:

• Komplexität und Kosten: Diese Methode erfordert zusätzliche Sensoren und eine komplexere Steuerung, was zu höherer Komplexität und höheren Kosten führt.
• Stromverbrauch: Der Bedarf an zusätzlichen Sensoren und Schaltkreisen kann den Stromverbrauch erhöhen.

Anwendungen:

• Roboter und CNC-Maschinen, bei denen exakte Geschwindigkeit und Platzierung erforderlich sind.
• Industrielle Automatisierung und Hochleistungsanwendungen.
• Automobilanwendungen wie Servolenkungen und Fensterhebermotoren.

Vergleich der vier Kontrollmethoden

Merkmal	Spannungsregelung	PWM-Steuerung	Ankerwiderstandsregelung	Feldregelung
Komplexität	Einfach	Mittel	Einfach	Hoch
Wirkungsgrad	Niedrig	Hoch	Niedrig	Mittel
Kosten	Gering	Mittel	Gering	Hoch
Präzision	Niedrig	Hoch	Mittel	Hoch
Wartung	Gering	Mittel	Gering	Hoch
Drehzahlregelbereich	Begrenzt	Breit	Begrenzt	Breit
Wärmeerzeugung	Hoch	Niedrig	Hoch	Mittel

So wählen Sie die beste Steuerungstechnik für Ihren Anwendungsfall aus

Bei der Auswahl der besten Steuerungsstrategie für einen bürstenbehafteten Gleichstrommotor müssen unbedingt die folgenden Elemente berücksichtigt werden:

Bewerbungsvoraussetzungen:

• Wenn Ihre Anwendung eine einfache Ein-/Aus-Steuerung erfordert, wie z. B. bei Spielzeugen oder einfachen Haushaltsgeräten, kann eine Ein-/Aus-Steuerung ausreichend sein.
• PWM-Steuerung ist in der Regel die beste Option für Anwendungen, die eine präzise Drehzahlregelung erfordern, wie z. B. Lüfter oder Roboter.
• Wenn Einfachheit und niedrige Kosten entscheidende Faktoren sind, ist eine analoge Steuerung möglicherweise die einfachste Lösung.
• Regelkreise sind die ideale Lösung für Anwendungen, die ein hohes Maß an Präzision erfordern, wie z. B. Industrieroboter oder CNC-Maschinen.

Effizienzanforderungen:

Für Anwendungen, bei denen Energieeffizienz wichtig ist, sind PWM-Steuerung und Regelung mit geschlossenem Regelkreis vorzuziehen, da sie eine präzise und optimierte Motorleistung bieten.

Komplexität und Kosten:

Für kostenbewusste Anwendungen mit hoher Komplexität sind Ein-/Aus- oder Analogsteuerungen kostengünstige Lösungen.
Für Hochleistungsanwendungen lohnt sich die zusätzliche Investition in eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis.

Drehzahl- und Drehmomentregelung:

PWM-Steuerung und Regelung mit geschlossenem Regelkreis eignen sich ideal, um in dynamischen Umgebungen sowohl eine feine Drehzahl- als auch Drehmomentregelung zu erreichen.

Wartung und Langlebigkeit:

PWM-Steuerung und Closed-Loop-Steuerung eignen sich besser für Anwendungen, bei denen der Motor kontinuierlich verwendet wird, da sie die Lebensdauer verbessern und den Verschleiß verringern.

Zusammenfassung

Die Wahl der richtigen Steuerungsmethode für Ihren bürstenbehafteten Gleichstrommotor hängt von den Anforderungen der Anwendung ab, einschließlich Effizienz, Präzision, Kosten und Komplexität. Während die Ein-/Aus-Steuerung einfach und kostengünstig ist, bieten fortschrittlichere Methoden wie PWM, Analog- und Closed-Loop-Steuerung eine präzisere Kontrolle über Motordrehzahl, Drehmoment und Gesamtleistung. Durch sorgfältige Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Anwendung können Sie die Steuerungsmethode wählen, die optimale Motorleistung und Langlebigkeit gewährleistet.