Verständnis von FOC (Field-Oriented Control) in BLDC-Reglern

Einführung: Warum Regelungsalgorithmen bei elektrischen Antrieben wichtig sind

Im Zuge der Weiterentwicklung der Elektromobilität erwarten die Nutzer nicht nur leistungsstarke, sondern auch sanfte, leise und energieeffiziente Motoren.

Dies ist der Ort, an dem FOC - Feldorientierte Steuerung - zu einer bestimmenden Technologie wird.

Vereinfacht ausgedrückt, ermöglicht FOC dem Controller die Ansteuerung eines BLDC-Motor (bürstenloser Gleichstrom) wie ein genau abgestimmtes Instrument, die Drehmoment und Geschwindigkeit in Echtzeit anpassen.

Bei Elektrofahrrädern, -rollern und -motorrädern bedeutet dies sofortige Reaktion, sanftere Beschleunigung, höhere Effizienz und weniger Lärm.

Unter JRAHK, unser Sinus-FOC-Steuerungen der Gold-Serie mit drei Betriebsarten basieren auf diesem fortschrittlichen Steuerkonzept und bringen erstklassige Leistung in die nächste Generation von Elektrofahrzeugen für den privaten und industriellen Einsatz.

Die Entwicklung von Square-Wave zu FOC

Traditionelle BLDC-Motorsteuerungen verwendet Rechteckig (oder trapezförmig) Kommutierung - eine einfache Methode, die den Strom alle 60 Grad zwischen den Motorphasen umschaltet.

Sie ist zwar wirksam, hat aber ihre Grenzen:

• Hörbares Motorgeräusch
• Weniger effiziente Energienutzung
• Drehmomentrippel bei niedriger Drehzahl

Um diese Probleme zu lösen, entwickelten die Ingenieure sinusförmig Steuerung - Ansteuerung des Motors mit sinusförmigen Stromwellenformen.

Dadurch wurde der Betrieb bereits reibungsloser.

Aber das FOC ging noch weiter:

Anstatt jede Phase unabhängig zu kontrollieren, er überträgt die Motorsteuerung in ein rotierendes Bezugssystem, Magnetfelder dynamisch ausrichten, um maximales Drehmoment und minimaler Verlust.

Mit anderen Worten: Die FOC schiebt nicht einfach Strom in den Motor - sie “denkt” über wobei um sie zu schieben.

Das Prinzip der feldorientierten Kontrolle

Um FOC zu verstehen, stellen Sie sich einen BLDC-Motor vor, der zwei Magnetfelder hat:

• Die Rotorfeld (erzeugt durch die Dauermagnete)
• Die Statorfeld (erzeugt durch den Strom in den Motorwicklungen)

Ziel ist es, diese beiden Felder zu erhalten rechtwinklig (90° auseinander) Dies gewährleistet das höchste Drehmoment bei geringstem Stromverbrauch.

Die d-q-Koordinatentransformation

Anstatt in drei Motorphasen (A, B, C) zu denken, wandelt die FOC diese mathematisch in zwei virtuelle Komponenten um:

• d-Achse (direkte Achse) - richtet sich nach dem Magnetfeld des Rotors aus
• q-Achse (Quadraturachse) - rechtwinklig zum Rotorfeld

Dann der Kontrolleur:

1. Misst oder schätzt die Rotorposition (mit Hall-Sensoren oder Back-EMF).
2. Konvertiert die dreiphasigen Ströme in den d-q-Rahmen (mit Clarke und Park Transformationen).
3. Regelt den Strom der d-Achse (magnetischer Fluss) und den Strom der q-Achse (Drehmoment) getrennt.
4. Wandelt sie in dreiphasige Signale zurück und gibt sie über PWM an die MOSFETs weiter.

Dies ermöglicht Vektorkontrolle - Drehmomentsteuerung, die linear, schnell und effizient ist.

FOC in Aktion: Real-World Beispiel von JRAHK

Nehmen wir die JRAHK Drei-Modus-Gold-Serie Sinus-FOC-Controller als Beispiel.

Wenn Sie das Gaspedal durchdrehen oder in die Pedale treten:

• Die Steuerung berechnet sofort die Rotorposition und -geschwindigkeit.
• FOC-Algorithmen ermitteln die idealen d-q-Stromwerte.
• MOSFETs werden mit hochfrequenten PWM-Signalen geschaltet, um die Stromwellenform zu formen.
• Das Ergebnis: ein gleichmäßiges Drehmoment, ein leiser Betrieb und eine effiziente Nutzung der Batterie.

Selbst bei schneller Beschleunigung oder starker Belastung (z. B. beim Bergauffahren oder beim Transport von Lasten) fühlt sich der Motor gleichmäßig und vorhersehbar an, da die FOC-Schleife das magnetische Drehmoment und den Magnetfluss in Echtzeit optimiert.

Hardware-Anforderungen für FOC

Die Implementierung von FOC erfordert eine höhere Rechengenauigkeit und Sensorrückmeldung als ein Rechtecksystem.

Aus diesem Grund verwenden fortschrittliche FOC-Controller wie die von JRAHK eine Kombination aus:

Diese Integration von Sensorik, Berechnung und Leistungselektronik macht einen FOC-Controller weitaus “intelligenter” als einen einfachen Rechtecktreiber.

Vorteile der FOC-Kontrolle

Field-Oriented Control liefert messbare Verbesserungen bei Leistung, Komfort und Effizienz:

In Tests, die für verschiedene Elektrofahrzeuganwendungen durchgeführt wurden, hat die FOC gezeigt 5-15% höherer Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zur Standard-Sechs-Punkt-Regelung, insbesondere unter variablen Lastbedingungen.

Sensor vs. sensorlose FOC

JRAHKs FOC-Controller unterstützen beide Steuerungsarten:

Sensored FOC

Verwendet Hallsensoren oder Encoder zur Bestimmung der Rotorposition.

• Vorteile: Hervorragendes Anfahr- und Steigdrehmoment bei niedriger Geschwindigkeit.
• Ideal für: Lastenfahrräder, E-Motorräder, industrielle Anwendungen.

Sensorlose FOC

Schätzt die Position anhand von Gegen-EMF und Stromrückführung.

• Vorteile: Weniger Drähte, geringere Kosten, höhere Lebensdauer (keine Sensorausfälle).
• Ideal für: Shared Scooter, E-Bikes mit mittlerer Geschwindigkeit und geschlossene Systeme.

Automatische Dual-Mode-Erkennung

Viele JRAHK-Modelle verfügen über automatische Erkennung - Der Controller erkennt, ob Sensoren vorhanden sind, und schaltet auf den richtigen Algorithmus um, so dass Plug-and-Play-Vielseitigkeit gewährleistet ist.

Vergleich von FOC mit konventionellen Controllern

Durch die Kombination Sinus-Hardware mit FOC-Algorithmen, JRAHK erreicht sowohl Leichtgängigkeit als auch Effizienz - ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit.

Design-Highlights der JRAHK FOC-Controller

JRAHKs Three-Mode Gold Serie zeigt, wie eine fortschrittliche FOC-Plattform aussieht:

• Leistungsbereich: 250 W - 5000 W
• Spannungsoptionen: 36 V - 84 V
• MOS-Röhren-Varianten: 6 / 9 / 12 / 15 / 18 / 24
• Aktuelle Handhabung: Bis zu 80 A kontinuierlich
• Steuerungsmodi: Sinuswelle, FOC, Rechteckwelle
• Protokolle: UART-Schnittstelle für Display-Kommunikation
• Schutz: Überspannung, Überstrom, Übertemperatur, Verpolung

Jedes Modell wird in einem hochfestes Aluminiumgehäuse für eine effiziente Wärmeableitung, die einen zuverlässigen Betrieb unter hoher Last und im Dauerbetrieb gewährleistet.

Anwendungen von FOC-Controllern

Aufgrund ihres sanften Drehmoments und ihrer hohen Präzision werden FOC-Steuerungen in vielen Bereichen eingesetzt:

• Hochwertige E-Bikes und Lastenräder - für ein ruhiges, natürliches Pedalbetätigungsgefühl
• Elektro-Roller - sanfte Drosselung und regeneratives Bremsen
• Elektrische Motorräder - hohes Drehmoment und starke Beschleunigung
• Robotik und AGVs - präzise Bewegungssteuerung und geringe Geräuschentwicklung
• Industrielle Antriebe - effizienter Dauerbetrieb

In jedem Fall schlagen sich die Vorteile direkt nieder in längere Batterielebensdauer, Kühlerbetrieb, und besserer Fahrerkomfort.

Ausblick auf die Zukunft: Auf dem Weg zu intelligenten FOC-Systemen

Mit der Weiterentwicklung von IoT- und KI-Technologien wird die nächste Generation von FOC-Steuerungen integriert:

• Adaptive Lernalgorithmen für selbstoptimierende Regelkreise
• Cloud-Konnektivität für die Leistungsüberwachung
• Prädiktive Diagnostik für die Gesundheit von Motor und Batterie
• CAN- und BLE-Kommunikation für die Integration intelligenter Fahrzeuge

Der F&E-Fahrplan von JRAHK ist bereits auf diese Trends ausgerichtet - die Entwicklung intelligente BLDC-Regler die intelligentes Energiemanagement und Datenkonnektivität in einer nahtlosen Plattform vereinen.

Schlussfolgerung

Field-Oriented Control ist der neueste Stand der bürstenlosen Motortechnologie.

Durch die kontinuierliche Ausrichtung der Magnetfelder im Motor erreicht die FOC ein perfektes Gleichgewicht zwischen Leistung, Effizienz und Laufruhe.

Für Hersteller und Fahrer gleichermaßen bedeutet dies:

• Leisere Fahrzeuge
• Schnellere Reaktion
• Größere Reichweite
• Intelligenteres Energiemanagement

Unter JRAHK, Unser Ziel ist es, diese Vorteile für die gesamte Elektromobilität zugänglich zu machen - vom leichten E-Bike bis zum Hochleistungsmotorrad.

Dank jahrelanger Forschung und Entwicklung im Bereich der intelligenten Motorsteuerung ist unser FOC-Sinus-Controller sind nicht einfach nur Komponenten - sie sind die Grundlage für eine reibungslosere, effizientere Zukunft des elektrischen Verkehrs.