Сензори тип "Холл", енкодер, резолвер или без сензори: как контролерът знае позицията на мотора

Един двигател с постоянен магнит работи добре само ако контролерът подава ток на правилното място, тоест в зависимост от точната позиция на ротора. Съществуват четири основни начина за определяне на тази позиция. Те не са с еднаква цена, нямат еднаква точност и реагират по различен начин при спиране, при висока скорост, във вода или при високи температури.

Защо позицията е толкова важна?

Въртящият момент на мотор с постоянен магнит е максимален, когато магнитното поле, създадено от намотките, е на 90 градуса електрически спрямо полето на магнитите. Грешка от няколко градуса води до загуба на въртящ момент; по-голяма грешка може да доведе до неравномерна работа на мотора, или дори да го накара да спира вместо да ускорява. Нашето ръководство за векторно управление (FOC) подробно обяснява този механизъм.

Внимание: тук говорим за градуси електрически. Мотор с множество полюси извършва множество електрически обороти за всеки механичен оборот. При мотор, монтиран в главината на електрически тротинетки, който има много полюси, малка механична грешка може да се превърне в голяма електрическа грешка.

Сензорите с Хол ефект

Три малки сензора, разположени в статора, засичат преминаването на магнитите от ротора. Всеки сензор превключва между две състояния; заедно те разделят всеки оборот на електрическия мотор на шест сектора с по 60°.

• Предимства: много достъпна цена, лесна за свързване (пет кабела), позицията е известна дори когато е спряна, което осигурява плавно стартиране.
• Ограничения: приблизителна точност, чувствителност към влага, топлина и повредени кабели.

Това е стандартното оборудване за двигателите на електрически тротинетки и велосипеди. В режим на векторно управление, контролерът интерполира позицията между две промени на състоянието, за да получи непрекъснат ъгъл. Неизправен сензор Hall може да причини симптомите, описани в нашето ръководство за двигател, който прекъсва и трепти.

Кодерите

Един енкодер измерва ъгъла на ротора с висока прецизност, често с хиляди стъпки на оборот. Има два основни типа:

• магнитните енкодери: един чип чете ориентацията на малък магнит, прикрепен към края на вала. Те са компактни и евтини и често предоставят абсолютна позиция веднага след включване;
• `инкрементните кодери`, оптични или магнитни: те броят импулси и се нуждаят от референтна точка, за да определят абсолютната позиция.

С използването на енкодер, векторното управление е прецизно от момента на спиране до максималната скорост. Те се използват в двигатели за мотоциклети, картинг, роботи и състезателни машини. Те изискват внимателен монтаж: енкодер, който се плъзга по вала, измества цялата система за управление.

Резолверите

Един резолвер е малък, въртящ се трансформатор, който не съдържа електроника в двигателя. Контролерът го захранва с алтернативен сигнал и чете два изходни сигнала, въз основа на които определя ъгъла.

• Предимства: много устойчив на топлина, вибрации и електрически смущения; абсолютна позиция.
• Ограничения: по-обемист и по-скъп, изисква специална схема за четене в контролера.

Това е референтният сензор за електрически автомобили, където двигателите се нагряват силно и се въртят с висока скорост.

Без сензор

Контролерът може също да изчислява позицията без никакви сензори, въз основа на данните, които вече измерва: напреженията, които прилага, и токовете, които протичат. Един изчисление, наречено обсерватор, реконструира напрежението, генерирано от мотора при въртене, и от това извежда ъгъла.

• Предимства: липса на сензори, които трябва да бъдат монтирани, свързвани или защитени; много прецизен при средни и високи скорости.
• Ограничения: Когато е спрян, двигателят не генерира напрежение, така че измервателният уред няма какво да отчете. Стартирането при голямо натоварване може да бъде по-неефективно.

Разширени техники, като например инжектирането на високочестотен сигнал, позволяват определянето на позицията дори когато двигателят е спрян, като се използват малките разлики в индуктивността на двигателя в зависимост от ъгъла. Те работят по-добре, когато двигателят има изразена салиентност, като например двигателите с вътрешни магнити.

Сравнението

Най-доброто от два свята

Много контролери комбинират тези решения: те използват сензорите Hall при стартиране и при ниска скорост, а след това преминават към оценка без сензори, веднага щом двигателят започне да се върти достатъчно бързо. Това осигурява плавно стартиране и прецизен контрол при висока скорост. Това е обичайната работа на контролер VESC, използван при двигател на електрически тротинетки, и се настройва по време на откриването на двигателя.