Wer von DC- auf BLDC-Motoren umsteigen will, muss einige technische Herausforderungen bewältigen. Wir haben sie angenommen - und erfolgreich gemeistert. Darüber berichten unsere Kollegen Jörg und Wilhelm in der Fachzeitschrift KEM. Jetzt lesen!
Der Umstieg von DC- auf BLDC-Motoren bietet viele Vorteile, aber auch technische Herausforderungen. Modulare Softwarelösungen helfen dabei, die komplexere Motorsteuerung zu meistern und bieten einen effizienten Weg, um von besserer Leistung, längerer Lebensdauer und präziser Kontrolle zu profitieren.
Energieeffizienz, Lebensdauer und Regelgenauigkeit – das sind die Kernanforderungen an moderne Antriebssysteme. Die Automobilindustrie, Hersteller von Haushaltsgeräten, sowie die industrielle Automatisierung treiben daher derzeit den Umstieg von klassischen DC-Gleichstrommotoren auf bürstenlose Motoren (BLDC) aktiv voran.
BLDC-Motoren stehen – bei gleicher Baugröße – für ein höheres Drehmoment, einen besseren Wirkungsgrad und deutlich geringeren Wartungsaufwand. Diese Vorteile stehen einer komplexeren Ansteuerung gegenüber. Gerade im Bereich moderner Antriebsregelung steigt dadurch der Bedarf an flexiblen Softwarestrukturen.
Entwickler werden bei einem Umstieg oft vor neue Herausforderungen gestellt: Während ein DC-Motor mit einfacher PWM-Steuerung auskommt, benötigen BLDC-Motoren eine sensor- oder sensorlose Kommutierung, feldorientierte Regelalgorithmen (FOC) und eine leistungsfähige Hardwareplattform. Um die entsprechende Software auch über Produktvarianten hinweg beherrschbar zu machen, empfiehlt sich der Einsatz modularer Softwarearchitekturen.
Herausforderungen beim Umstieg von DC-Motoren auf BLDC-Motoren
Der Einsatz eines BLDC-Motors beeinflusst nicht nur die mechanischen Eigenschaften eines Antriebssystems, sondern hat auch weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Systemarchitektur, insbesondere auf Motorsteuerung, Softwarealgorithmen, Hardwaredesign und EMV-Konzepte:
- Motorsteuerung bei DC- und BLDC-Motoren
Bei der Ansteuerung von DC-Motoren genügt in der Regel eine einfache Spannungsregelung oder PWM-Ansteuerung über eine H-Brücke. Die Regelung erfolgt oft direkt über einen geschlossenen Regelkreis für die Drehzahl, wobei lediglich ein einfacher PI-Regler ausreicht. Das Verhalten ist linear und gut prognostizierbar. Demgegenüber erfordert die Ansteuerung eines BLDC-Motors eine aufwendigere Regelung.
Da die Kommutierung nicht mechanisch, sondern elektronisch erfolgt, muss die Rotorposition erfasst oder geschätzt werden, um die richtigen Phasenströme einzuschalten. Dies erfordert einen dreiphasigen Inverter, eine präzise Taktung der Leistungshalbleiter sowie eine deutlich feinere Steuerungslogik. Die Herausforderung liegt hier vor allem in der Echtzeitfähigkeit der Motorsteuerung, insbesondere bei schnellen Lastwechseln oder im sensorlosen Betrieb. - Regelalgorithmen für BLDC-Motoren (Kommutierung & FOC)
Der Regelungsaufwand bei BLDC-Motoren ist signifikant höher. Während bei DC-Motoren einfache Drehzahl- und Stromregelkreise genügen, kommen bei BLDC-Antrieben komplexe Algorithmen wie die sensorlose Kommutierung über Back-EMF-Auswertung oder Feldorientierte Regelung (FOC) zum Einsatz. Diese Algorithmen erfordern nicht nur ein tiefes Verständnis der Motorphysik, sondern auch eine leistungsfähige Embedded-Softwareumgebung für präzise Antriebsregelung.
Besonders herausfordernd ist der Übergang vom Stillstand zur Drehbewegung im sensorlosen Betrieb, da die zur Kommutierung notwendige Gegen-EMK erst bei nennenswerter Drehzahl vorhanden ist. Gerade dieser Bereich stellt hohe Anforderungen an Softwaredesign und Systemmodellierung. - Hardwareanforderungen für BLDC-Motorsteuerung
Auch auf Hardwareebene unterscheiden sich die Anforderungen erheblich. DC-Motoren benötigen lediglich eine einfache H-Brücke, wohingegen BLDC-Motoren eine dreiphasige Leistungsendstufe mit präzisem Timing, exakter Strommessung und geeigneter Mikrocontroller-Peripherie voraussetzen.
Die Auswahl geeigneter Mikrocontroller mit ausreichender Rechenleistung, synchronisierten PWM-Kanälen und schnellen ADCs ist entscheidend. Zusätzlich erfordert der Aufbau einer sicheren und effizienten Ansteuerschaltung für BLDC-Motoren besondere Sorgfalt in der Leiterplattenentwicklung – insbesondere durch die notwendige Trennung von Leistungs- und Signalpfaden, um Störeinflüsse zu reduzieren. - EMV-Herausforderungen bei BLDC-Motoren
BLDC-Motoren hingegen verursachen EMV-Probleme vor allem durch die steilen Flanken der hochfrequenten Schaltvorgänge im Inverter. Diese können zu leitungs- und feldgebundenen Störungen führen, die gezielt durch angepasstes Layout, sternförmige Masseführung, EMV-Filtermaßnahmen (z. B. EMV-Drosseln, Snubber-Netzwerke) und geeignete Schirmung kontrolliert werden müssen.
Eine besonders kritische Rolle spielt dabei das Zusammenspiel von Software und Hardware, etwa bei der Gestaltung der PWM-Modulation oder der Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit durch Gate-Widerstände. Gerade diese Interaktion ist ein wesentlicher Faktor für robuste Motorsteuerung.
Verkürzte Entwicklungszyklen durch modulare Softwarearchitektur
Unsere Entwickler und Antriebstechnikexperten standen genau vor dieser Herausforderung. Sie suchten nach einer Möglichkeit, schnell und flexibel auf die Anforderungen verschiedener Kundenprojekte einzugehen und die jeweils optimale Motortechnologie für die spezifische Anwendung bereitzustellen. Das Ergebnis dieser Suche ist das Konzept einer modularen Softwarearchitektur, die es ermöglicht, sowohl DC- als auch BLDC-Motoren von einer gemeinsamen Plattform aus anzusteuern. Diese Plattform dient als einheitliche Basis für moderne Motorsteuerung, Antriebsregelung und Embedded-Control-Systeme.
Durch die Trennung von Funktionseinheiten, klare Schnittstellen und abstrahierten Hardwarezugriffen lassen sich Systeme entwickeln, die leicht erweiterbar, wartbar und an neue Anforderungen adaptierbar sind. Gerade im Kontext baukastenbasierter Produktfamilien stellt dies einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil dar, weil Entwicklungszyklen deutlich verkürzt und Varianten schneller realisiert werden können.
Modulare Software ermöglicht es, Funktionseinheiten wie Signalverarbeitung, Kommutierung, Stromregelung und Fehlermanagement flexibel zu kombinieren, wiederzuverwenden und auf unterschiedliche Motortypen oder Hardwareplattformen zu skalieren. Dies schafft eine skalierbare Architektur, die speziell auf BLDC-Motoren, DC-Motoren und hybride Antriebslösungen ausgerichtet werden kann.
Mit diesem Modell verfolgen wir einen innovativen Ansatz, der Hardware- und Softwareentwicklung effizient vereint. Er ermöglicht nicht nur eine einfache Erweiterung und Validierung von Funktionen, sondern ermöglicht auch die flexible und unabhängige Auswahl der eingesetzten Motortechnologie flexibel – egal ob DC, BLDC oder zukünftige Technologien. Damit wird die Grundlage für langfristige Plattformstrategien und nachhaltige Produktfamilien gelegt.
Ein zentraler Bestandteil dieser Softwarearchitektur sind abstrakte Interfaces zwischen den einzelnen Softwaremodulen. Mit Hilfe dieser kann die Anwendungsebene unabhängig von der eingesetzten Motortechnologie agieren. So wird beispielsweise der Motor-Control-Schicht lediglich mitgeteilt, ob und in welcher Geschwindigkeit sich der Motor drehen soll, ohne dass die zugrunde liegende Technologie offengelegt wird. Diese Entkopplung von Applikation und Hardware erleichtert Migrationen zwischen Mikrocontroller-Generationen. Durch diese modulare Struktur lassen sich Motorvarianten flexibel durch Konfiguration oder Austausch einzelner Softwaremodule anpassen. Dies reduziert Testaufwand, beschleunigt Zertifizierungen und verbessert die Wiederverwendbarkeit im gesamten Produktlebenszyklus.
5 zentrale Vorteile modularer Software für Motorsteuerung
Die modulare Struktur Software bietet Entwicklern zahlreiche Vorteile. Sowohl für die konkrete Produktentwicklung als auch für eine langfristige Plattformstrategie im Bereich DC- und BLDC-Motorsteuerung.
- Wiederverwendbarkeit und Standardisierung in modularer Motorsteuerungssoftware
Ein zentraler Vorteil modularer Architekturen liegt in der Wiederverwendbarkeit von Code. Funktionseinheiten wie PWM-Erzeugung, Drehzahlregelung, Strommessung oder Kommunikationsschnittstellen sind unabhängig vom konkreten Motortyp implementiert und können in unterschiedlichen Projekten oder Produktvarianten wiederverwendet werden.
Dies fördert eine Standardisierung innerhalb der Softwarelandschaft, reduziert Entwicklungsaufwand und er-leichtert die Einarbeitung neuer Entwickler. Zugleich erhöht die Wiederverwendung die Konsistenz und reduziert Fehlerquellen in Motorsteuerungsprojekten. - Flexibilität und Erweiterbarkeit von Softwaremodulen für DC- und BLDC-Motoren
Durch klar definierte Modulgrenzen und standardisierte Schnittstellen können neue Funktionalitäten – etwa alternative Kommutierungsverfahren, zusätzliche Sensorik oder neue Feldbusprotokolle – modular ergänzt oder ausgetauscht werden.
Auch der Wechsel von DC- auf BLDC-Motoren (oder umgekehrt) erfordert lediglich die Anpassung oder den Austausch einzelner Module, während der Großteil der Software unverändert bleibt. Diese Modularität ermöglicht eine wesentlich schnellere Anpassung an neue Kundenanforderungen oder Varianten in Produktfamilien. - Trennung von Applikation und Hardware in modularen Motorsteuerungsarchitekturen
Ein modularer Aufbau erlaubt eine saubere Trennung zwischen anwendungsspezifischer Logik und hardwareabhängigen Funktionen. Die Hardware-Abstraktionsschicht (HAL) kapselt alle direkten Zugriffe auf Mikrocontroller-Peripherie, wodurch die Applikationslogik unabhängig von der Zielplattform entwickelt werden kann.
Dies erleichtert die Portierung auf unterschiedliche Mikrocontroller, ermöglicht herstellerunabhängige Designs und verbessert die langfristige Wartbarkeit der Software. Gerade im Umfeld wechselnder Embedded-Controller-Generationen ist diese Unabhängigkeit entscheidend für nachhaltige Motorsteuerungsplattformen. - Testbarkeit und Qualitätssicherung in modularen BLDC- und DC-Steuerungssystemen
Modular aufgebaute Systeme lassen sich leichter testen und validieren. Jedes Modul kann isoliert in Unit- oder Integrationstests überprüft werden, was die Fehlersuche vereinfacht und die Qualität verbessert.
Zudem lassen sich Module mit definierten Ein- und Ausgängen einfacher in Simulationen einbinden, was insbesondere für Regelalgorithmen und sicherheitskritische Funktionen von Vorteil ist. Durch klar getrennte Module steigt die Robustheit der gesamten Motorsteuerungssoftware. - Skalierbarkeit für Produktfamilien in plattformbasierten Motorsteuerungen
Viele Hersteller entwickeln nicht nur ein einzelnes Produkt, sondern ganze Produktfamilien mit unterschiedlichen Leistungsstufen, Schnittstellen oder Motortypen. Eine modulare Softwarearchitektur erlaubt es, diese Varianten effizient zu bedienen, indem nur spezifische Module angepasst werden – beispielsweise der Stromregelkreis für eine leistungsstärkere Ausführung oder die Kommunikationsschnittstelle für ein kundenspezifisches Protokoll.
Das Grundgerüst bleibt dabei unverändert, was Entwicklungs- und Wartungsaufwand drastisch reduziert. Damit wird ein skalierbares Softwarefundament geschaffen, das langfristig Kosten reduziert und Markteinführungszeiten verkürzt.
Modularität als Grundlage für langfristig wartbare Antriebslösungen
Die Migration von DC- zu BLDC-Motoren bringt zweifellos erhebliche Vorteile hinsichtlich Effizienz, Dynamik und Lebensdauer. Gleichzeitig steigen jedoch Komplexität und Entwicklungsaufwand, wegen der neuen Anforderungen an das gesamte Systemdesign.
Insbesondere die Bereiche Motorsteuerung, Softwarealgorithmen, Hardwareauslegung und EMV-Sicherheit müssen bei der Integration sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Nur durch ein ganzheitliches Verständnis dieser Herausforderungen und den gezielten Einsatz modularer, wieder verwendbarer Softwarekomponenten für DC- und BLDC-Motoren lässt sich das Potenzial moderner BLDC-Antriebe zuverlässig und wirtschaftlich erschließen.
Ein modularer Softwareaufbau schafft die Grundlage für robuste, erweiterbare und langfristig wartbare Antriebslösungen. In einer Zeit, in der Produktlebenszyklen kürzer, Variantenvielfalt größer und Entwicklungsressourcen knapper werden, ist Modularität kein optionaler Komfort mehr, sondern ein strategischer Erfolgsfaktor für nachhaltige Motorsteuerungsarchitekturen.
Damit wird Modularität zu einem zentralen Hebel, um Antriebssysteme zukunftssicher, skalierbar und wirtschaftlich betreibbar zu machen.
> Beitrag auf der KEM Website lesen
