Sensorloser FOC ruckelt oder bleibt beim Start stehen (PMSM/BLDC)

Sensorlose feldorientierte Regelung (FOC) klingt auf dem Papier hervorragend – bis der Motor ruckt, brummt oder sich nicht bewegt. Wenn Ihre sensorlose FOC nicht startet, FOC unter Last nicht zuverlässig anläuft oder Ihr BLDC bei niedriger Drehzahl ruckt, ist diese Seite für Sie. Wir sind darauf spezialisiert, Probleme mit sensorloser FOC rund um Start-up, Loss-of-Sync, Kickback und Low-Speed-Drehmoment bei PMSM- und BLDC-Antrieben zu beheben.

Kurzüberblick – so zeigt sich das Problem

  • Der FOC-Startbefehl wird gegeben, aber der Rotor bewegt sich nicht – oder nur wenige Grad und bleibt dann stehen.
  • Der Motor ruckt oder „klappert“ bei niedriger Drehzahl, besonders unter Last oder an Steigungen.
  • Starker mechanischer Kickback oder Rückwärtsbewegung, wenn die sensorlose FOC versucht einzurasten.
  • Der Antrieb funktioniert nur im Open-Loop / 6-Step, aber FOC startet nicht oder ist im Feld deaktiviert.
  • Im Labor bestehen die Tests, aber bei einzelnen Kunden-Geräten treten unter Kälte, Hitze oder niedriger Spannung zufällig Probleme mit sensorloser FOC auf.

Typische Aussagen, die wir von Teams hören

  • „FOC startet nicht zuverlässig, wenn der Motor bereits unter Last steht.“
  • „Der Motor läuft oberhalb einer bestimmten Drehzahl gut, aber BLDC ruckt bei niedriger Drehzahl und macht Geräusche.“
  • „Wir sehen Loss-of-Sync und Überstrom-Trips während des Ramp-up oder beim Anfahren am Berg.“
  • „Sensorlos funktioniert es auf dem Prüfstand, scheitert aber mit realer Trägheit, Spiel oder Getrieben.“
  • „Nach einem Brown-out oder kurzen Stromausfall startet der Antrieb mit harten Transienten neu.“

Warum sensorlose FOC beim Start ruckt oder stehen bleibt

Die meisten dieser Probleme entstehen aus einer Kombination aus Algorithmik-, Timing- und Parameter-Themen – nicht aus einem „schlechten Motor“. Häufige Root Causes sind:

  • Schwache Start-up-Sequenz: fehlende oder zu kurze initiale Ausrichtung, Open-Loop-Rampe, die nicht zur Last passt, oder aggressive Stromrampen, die den Observer aus dem Tritt bringen.
  • Observer nicht eingerastet: Sliding-Mode-Observer (SMO), MRAS, Back-EMF-PLL oder EKF hat bei niedriger elektrischer Drehzahl nicht genug Signal – der Winkel schätzt springt oder driftet.
  • Falsche Motorparameter: Rs, Ld/Lq, Flussverkettung und Trägheit/Reibung stimmen nicht, sodass Drehmomentbildung und Winkeltracking nicht zum realen System passen.
  • Schwaches Low-Speed-Drehmoment: DC-Bus-Einbruch, Stromlimits, schlechtes MTPA-Biasing oder Dead-Time-Effekte reduzieren das tatsächlich verfügbare Drehmoment beim Anlauf.
  • PWM-/ADC-/Strommess-Themen: falsche Sampling-Fenster, unkalibrierte Offsets, rauschanfällige Shunts/Hall-Sensoren oder Verzögerungen durch DMA/Filter.
  • Lücken in der Fehler-Recovery: keine robuste Loss-of-Sync-Erkennung – der Regler „kämpft“ gegen den Rotor, statt in einen sicheren Zustand zu gehen und sauber neu zu starten.

Was wir bei dieser Klasse von sensorlosen FOC-Problemen tun

Wir machen aus einer fragilen sensorlosen Implementierung einen robusten, serienreifen Antrieb, der sauber startet, Fehlbedienung übersteht und über das gesamte Betriebsfenster zuverlässig funktioniert. Typische Work Packages:

  • Observer-Design und Tuning: SMO, MRAS / Luenberger, Back-EMF-PLL oder EKF – abgestimmt auf Motor und Hardware, mit klaren Bandbreite-vs.-Rauschen-Abwägungen und Delay-Kompensation.
  • Start-up-Strategie: saubere initiale Ausrichtung, I–F- oder V/f-Open-Loop-Rampe, strombegrenztes Start-up und robuste Übergabekriterien in Closed-Loop sensorlose FOC.
  • Low-Speed-Drehmoment und Stabilität: HFI (High-Frequency Injection) wo nötig, Anti-Cogging-Feed-Forward, besseres MTPA-Biasing und Ripple-Reduktion auf dq-Regelkreisen.
  • Parameter- und Timing-Korrektur: Rs(T)- und Flussverkettungs-Updates, Trägheits-/Reibungs-ID, DC-Bus-Feed-Forward, PWM-/ADC-Synchronisation und Kalibrierung der Strommessung.
  • Schutz und Recovery: Loss-of-Sync-Erkennung, Stall-Handling, sichere Fallback- Modi und deterministisches Restart-Verhalten nach Brown-outs oder Fehlern.
  • Implementierung auf STM32 / MCSDK: saubere Integration in Ihr bestehendes STM32Cube-/X-CUBE-MCSDK-Projekt (HAL / LL), inkl. ISR-sicherer Estimator-Updates und Logging-Hooks.

Ergebnisse, die wir anstreben

  • Sicherer Start unter Last ohne Stillstand, Kickback oder zufällige Überstrom-Trips.
  • Ruhiger, leiser Low-Speed-Betrieb mit stabilem Drehmoment und minimaler Welligkeit.
  • Zuverlässige Restarts nach kurzen Stopps, Brown-outs oder nach Fehler-Reset.
  • Robuster sensorloser Betrieb über Temperatur, DC-Bus-Einbruch und Bauteiltoleranzen hinweg.
  • Klare KPIs sowie Pass/Fail-Kriterien, damit Sie sensorlosen Betrieb mit Vertrauen freigeben können.

Wie wir sensorlose FOC-Startprobleme in der Praxis beheben

  1. Baseline und Reproduktion: Wir verbinden uns mit Ihrem Antrieb, zeichnen Start-ups und Low-Speed- Läufe auf und loggen Ströme, Spannungen, Winkelschätzungen und Status-Flags.
  2. Root-Cause-Analyse: Wir korrelieren Symptome (Ruckeln, Stillstand, Loss-of-Sync) mit Observer-Verhalten, PWM-/ADC-Timing und Motorparametern.
  3. Redesign und Re-Tuning: Wir implementieren verbessertes Start-up, Übergabe und Observer-Settings (oder einen neuen Estimator), passend zu Motor, Inverter und Last.
  4. Validierung und Härtung: Wir stressen Corner Cases – kalt/heiß, niedriger DC-Bus, hohe Last, wiederholte Restarts – und dokumentieren die erreichten KPIs.

Wenn Sie bereits das STM32 Motor Control SDK nutzen, können wir entweder direkt in Ihrem MCSDK-Projekt arbeiten oder einen minimalen HAL-/LL-Codepfad liefern, der sich sauber integrieren lässt.

Ablauf der Zusammenarbeit

  • Discovery (30 Minuten) – Motor-/Inverter-Überblick, Symptome, aktueller Regler und wie „gut“ für Ihr Produkt aussieht.
  • Daten und Baseline – wir definieren ein kurzes Testskript und sammeln Logs von Start-ups, Low-Speed-Fällen und allen „FOC startet nicht“-Situationen.
  • Design und Implementierung – Observer-Auswahl, Start-up-/Übergabelogik, Low-Speed- Hilfen sowie Schutz-/Recovery-Verhalten.
  • Validierung – Sweeps über Drehzahl, Drehmoment, DC-Bus und Temperatur; Abuse-Tests (blockierter Rotor, plötzliche Lastsprünge, Anfahren am Berg).
  • Übergabe – Parameter, Code-Patches, Plots und eine Checkliste, die Ihr Team in Regressionstests und Manufacturing-QA nutzen kann.

Was wir von Ihnen benötigen

  • Motor-Datenblatt (Polpaare, Rs, Ld/Lq falls bekannt, Ke / Kt) und Inverter-Schaltplan.
  • Strommessmethode (Single / Dual / Triple Shunt, Hall, LEM, Shunt im DC-Link, etc.).
  • DC-Bus-Spannungsbereich, PWM-Frequenz, erwartetes Drehzahl- und Drehmomentfenster.
  • Infos zur Last (Getriebe, Riemen, Räder, Pumpen, Kompressoren etc.) und zu den Startbedingungen.
  • Bestehendes STM32-/MCSDK- oder anderes FOC-Projekt sowie Logs, die Probleme mit sensorloser FOC zeigen.
  • Ziel-KPIs, z. B. ≥ 99 % erfolgreiche Starts, kein Kickback, Low-Speed-Ripple ≤ X %, Restart-Zeit ≤ Y s.

Verwandte Leistungen

FAQ

Können Sie das auf unserer bestehenden Hardware beheben?
In den meisten Projekten: ja. Solange Motor, Inverter und Strommessung grundsätzlich geeignet sind, lassen sich Start-up- und Low-Speed-Probleme meist in Software und über Parameter lösen.

Brauchen wir High-Frequency Injection (HFI)?
Nicht immer. Viele Antriebe mit SPMSM- oder BLDC-Motoren erreichen ihre Anforderungen mit gut getunten Observers und robuster Start-up-/Übergabelogik. HFI setzen wir für anspruchsvolle Low-Speed-Spezifikationen oder starke Salienz ein – sofern das Signal-Rausch-Verhältnis es zulässt.

Gilt das nur für STM32?
STM32 und X-CUBE-MCSDK sind unsere häufigste Plattform, aber die gleichen Prinzipien gelten auch für andere MCUs und FOC-Stacks. Wenn Sie bereits eine Codebasis haben, können wir diese ebenfalls reviewen und damit arbeiten.

Was, wenn sensorlose FOC in manchen Edge Cases trotzdem nicht startet?
Dann behandeln wir diese Fälle als explizite KPIs, erweitern das Betriebsfenster so weit wie physikalisch sinnvoll und dokumentieren, wo Grenzen bleiben – damit Sie eine klare, ehrliche Spezifikation für Produktmanagement und Field Engineering haben.

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