Feldorientierte Regelung (FOC): Was sie ist und warum sie Antriebe besser macht

Veröffentlicht am 25. September 2026 · Persystems GmbH, Regensburg

Warum überhaupt regeln?

Ein permanenterregter Synchronmotor – ob als „BLDC“-Außenläufer an einer Drohne oder als PMSM in einem Fahrzeug – erzeugt Drehmoment nur dann effizient, wenn das Magnetfeld des Stators im richtigen Winkel zum Rotormagnetfeld steht: idealerweise genau 90 Grad elektrisch voraus. Der Rotor dreht sich aber ständig weiter. Die Aufgabe des Inverters ist also, die drei Phasenströme so zu stellen, dass dieses Winkelverhältnis in jedem Augenblick stimmt – bei jeder Drehzahl, bei jedem Lastsprung.

Wie gut ein Antrieb das schafft, entscheidet über drei Dinge, die man im Betrieb sofort merkt: den Wirkungsgrad (Wärme im Motor und in der Elektronik), die Laufruhe (Vibrationen, Geräusch) und die Genauigkeit, mit der ein gefordertes Drehmoment tatsächlich anliegt.

Blockkommutierung: der einfache Weg

Klassische ESCs arbeiten mit Blockkommutierung, oft „Six-Step“ oder trapezförmige Ansteuerung genannt. Zwei der drei Phasen werden bestromt, die dritte bleibt frei, und alle 60 Grad elektrisch wird umgeschaltet. Die Rotorlage wird dabei meist aus der Gegen-EMK der unbestromten Phase abgeleitet – eine elegante, sehr kostengünstige Lösung.

Der Preis: Der Stromvektor springt in 60-Grad-Schritten, das Drehmoment pulsiert im Takt der Kommutierung, und die Ströme sind nicht sinusförmig. Das erzeugt zusätzliche Verluste in Motor und Elektronik, hörbare Geräusche und ein Drehmoment, das sich nur grob einstellen lässt. Bei kleinen, schnell drehenden Drohnenmotoren fällt das kaum auf; bei großen Propellern, Schwerlastdrohnen oder Traktionsantrieben wird es zum limitierenden Faktor.

Feldorientierte Regelung: den Strom dort regeln, wo er wirkt

Die feldorientierte Regelung (FOC, auch Vektorregelung) geht anders vor. Die drei gemessenen Phasenströme werden rechnerisch in ein Koordinatensystem transformiert, das sich mit dem Rotor mitdreht. In diesem d/q-System hat der Strom nur noch zwei Komponenten: I_q erzeugt Drehmoment, I_d beeinflusst den Fluss. Beide sind im stationären Betrieb Gleichgrößen – und Gleichgrößen lassen sich mit einfachen PI-Reglern sehr präzise regeln.

Die Regler geben die gewünschten Spannungen U_d und U_q aus, die zurück ins Statorsystem transformiert und per Raumzeigermodulation in die Schaltmuster der sechs Transistoren übersetzt werden. Das Ergebnis sind sinusförmige Phasenströme, ein Stromvektor, der dem Rotor kontinuierlich im richtigen Winkel folgt, und ein Drehmoment, das dem Sollwert ohne Pulsation folgt.

Darüber liegt üblicherweise eine Drehzahl- oder Drehmomentregelung, die den Strom-Sollwert I_q vorgibt. Genau so ist der INV-60V-120A aufgebaut: Drehzahl- und Drehmomentregelung mit unterlagerter I_d/I_q-Stromregelung.

Was FOC in der Praxis bringt

Weniger Verluste. Sinusförmige Ströme ohne Kommutierungssprünge bedeuten weniger Oberschwingungen, weniger Eisen- und Kupferverluste im Motor und weniger Belastung der Leistungsstufe. Bei einem Antrieb, der dauerhaft nahe seiner thermischen Grenze läuft, entscheidet das über die tatsächlich verfügbare Dauerleistung.

Gleichmäßiges Drehmoment. Kein Drehmomentrippel im Kommutierungstakt – der Antrieb läuft leiser und ruhiger, Lager und Struktur werden weniger angeregt. Für Propeller heißt das weniger Vibration im Fluggerät, für Fahrzeuge ein sanfteres Anfahren.

Präzise Drehmomentgrenze. Weil I_q direkt dem Drehmoment entspricht, lässt sich das maximale Drehmoment exakt begrenzen – wichtig für Strombegrenzung, Überlastschutz und reproduzierbares Verhalten am Prüfstand.

Volle Kontrolle bei jeder Drehzahl. FOC funktioniert vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl mit demselben Regelkonzept, inklusive kontrolliertem Anlauf unter Last.

Was FOC voraussetzt

Gegenüber der Blockkommutierung braucht FOC zwei Dinge: gemessene Phasenströme und die Rotorlage. Die Ströme misst der Inverter direkt in der Leistungsstufe. Die Rotorlage kommt entweder von einem Geber – sin/cos- oder Inkrementalgeber – oder sensorlos aus dem Motormodell und der Gegen-EMK. Beide Wege unterstützt der INV-60V-120A.

Dazu kommt Rechenleistung: Transformationen, Stromregler und Modulation laufen mit der Schaltfrequenz des Inverters. Moderne Mikrocontroller schaffen das problemlos; entscheidend ist, dass die Firmware die Regelung sauber umsetzt und der Antrieb mit passenden Motorparametern in Betrieb genommen wird. Genau hier hilft ein physikalisch exaktes Simulationsmodell: Mit OverDrive lässt sich die Stromregelung eines Inverters am Modell auslegen und testen, bevor der erste Prüfstandslauf stattfindet.

Feldorientiert geregelte Antriebe bei Persystems

Der INV-60V-120A ist ein 48-V-Inverter mit feldorientierter Regelung: 6 kW Dauerleistung ab 108 Gramm, Rotorlage sensorlos oder über sin/cos- und Inkrementalgeber, Sollwerte über CAN, PWM/PPM oder analog. Über PersyCAN liefert er die Regelgrößen I_d/I_q und U_d/U_q als Telemetrie – man sieht der Regelung also im Betrieb zu. Und mit OverDrive rechnen wir dieselbe Regelung vorab im Modell, physikalisch exakt und schneller als Echtzeit.