Управление без сензори: как един алгоритъм определя позицията на мотора
Много контролери могат да управляват двигател без никакви сензори за позиция: говорим за управление без сензори, или "sensorless". Контролерът постоянно изчислява къде се намира роторът, въз основа на това, което вече измерва. Това изчисление се нарича наблюдател. Това ръководство обяснява неговия принцип, предимствата и ограниченията му.
Същественото
- При завой, моторът с постоянен магнит генерира напрежение, чиято посока показва позицията на ротора.
- Наблюдателят изчислява това напрежение въз основа на приложеното напрежение и измереното напрежение, като изважда стойността, която се консумира от съпротивлението и индуктивността на намотките.
- Необходими са точни стойности на съпротивлението, индуктивността и магнитния поток на двигателя – това е информацията, която се получава при процеса на диагностика.
- При спиране и при много ниска скорост, има много малко параметри, които могат да бъдат измерени: това е основното ограничение на системите без сензори.
Принципът е: да се слуша динамото
Един въртящ се двигател с постоянен магнит действа като генератор: той произвежда напрежение, известно като противо-електромотрична сила, което е пропорционално на скоростта му и е ориентирано в зависимост от позицията на магнитите. Ако знаем това напрежение, ние знаем ъгъла на ротора.
Контролерът не може да измери директно тази стойност, тъй като самият той захранва двигателя. Въпреки това, той знае напрежението, което подава, и измерва тока. Напрежението, което се подава, се разпределя в три части:
- спадането в съпротивлението на намотките, пропорционално на тока;
- частта, която се абсорбира от индуктивността, пропорционална на промените в тока;
- силата на контра-електромоторната сила, която се търси.
Чрез премахването на първите две стойности от приложеното напрежение, остава третата. Това е цялата работа на наблюдателя.
Мониторът на потока
Един често използван метод се основава на анализа на магнитния поток, а не на напрежението. Чрез интегрирането на приложеното напрежение във времето, като се извади спада на напрежението в съпротивлението, се получава общият магнитен поток, който виждат намотките. След като се извади частта, дължаща се на тока (индуктивността, умножена по тока), остава магнитният поток на магнитите, чиято посока определя ъгъла на ротора.
Интеграцията има един недостатък: най-малката грешка се натрупва и води до отклонение в резултата. Съвременните системи я коригират постоянно, като налагат, че амплитудата на изчисления поток трябва да остане равна на известния поток на магнитите. Ето защо, откриването на мотора измерва този поток.
Вторият етап, често представляващ контур за следене на фазата (PLL), изглажда получения ъгъл и изчислява скоростта въз основа на него.
Това, което го заблуждава
- Съпротивлението, което се променя с температурата: Медта, когато е загрята, предлага по-голямо съпротивление. Неправилното определяне на съпротивлението може да доведе до грешни изчисления, особено при ниски скорости, където противо-електрическата сила е слаба. Вижте нашето ръководство за загряването на електрическия двигател.
- `Неправилно измерена индуктивност : Грешката се увеличава с тока и скоростта на промяна на тока.`
- Магнитът отслабва, когато се нагрява: реалният магнитен поток се отклонява от известния магнитен поток.
- `Неточни измервания: Несъответствие в показанията на сензорите за ток, действителното напрежение, което се прилага, е различно от зададената стойност поради закъснения във времето.`
Границата на спирането
Когато е спрян, моторът не генерира напрежение: наблюдателят няма какво да наблюдава. При много ниска скорост, сигналът е толкова слаб, че грешките доминират. Ето защо, мотор без сензори може да се колебае или да трепери при стартиране под товар, докато работи перфектно след като вече е в движение.
Има три възможни решения:
- Стартиране в режим с отворена верига (open-loop): Контролерът подава напрежение към двигателя, без да следи за обратна връзка, докато двигателят достигне скорост, при която системата започва да регулира
- Инжекция с висока честота: Контролерът добавя малък, бърз сигнал и наблюдава как индуктивността на двигателя се променя с ъгъла. Това работи при спиране, особено при двигатели със силна сателитна характеристика, като например двигателите с вътрешни магнити;
- Датчиците Hall работят при стартиране, след което системата преминава към използването на сензор за следене на позицията по време на движение: това е най-често срещаното решение при електрически тротинетки. Вижте нашето ръководство за датчици за позиция.
Защо системите без сензори са толкова ценени?
- Няма сензори, които да бъдат монтирани, свързвани или защитени от вода и топлина.
- Обикновено, тази оценка е по-прецизна от тази, която се получава от сензорите Hall, веднага щом двигателят започне да се върти.
- Едно резервно решение, което да се използва в случай на повреда на сензор по време на движение.
Често задавани въпроси
Защо фърмуерът VESC предлага няколко режима на работа (наблюдатели)?
Тъй като нито един не е перфектен във всички отношения. Някои са по-устойчиви на грешки в настройките, други се справят по-добре с бързите промени или работят при по-ниски скорости. Изборът зависи от мотора и предназначението, а резултатът се проверява при каране.
Може ли добре настроен двигател да започне да функционира неправилно без сензори след продължително натоварване?
Да: При нагряване, съпротивлението на намотките се увеличава, а магнитите губят малко от силата си. Разликата спрямо стойностите, измерени при ниска температура, може да влоши прецизността на изчисленията при ниски скорости. Някои контролери компенсират съпротивлението в зависимост от температурата на двигателя.
Подходящо ли е безсензорното задвижване за електрически тротинетки?
При движение, всичко е наред. При потегляне от спряло положение, особено при изкачване или с по-тежък водач, сензорите Hall остават много полезни. Комбинацията от двете е най-добрият избор.