Řízení bez senzorů: jak systém odhaduje polohu motoru

Mnoho ovladačů je schopno řídit motor bez použití žádných polohových senzorů: mluvíme o řízení bez senzorů, nebo "sensorless". Ovladač v takovém případě neustále vypočítává polohu rotoru na základě měřených hodnot. Tento výpočet se nazývá pozorovací algoritmus. Tento návod vysvětluje jeho princip, výhody a omezení.

Princip: Poslouchat dynamo

Motor s permanentními magnety, který se otáčí, funguje jako generátor: produkuje napětí, konkrétně protielektromotorickou sílu, která je úměrná jeho rychlosti a orientována podle polohy magnetů. Pokud známe toto napětí, známe úhel rotoru.

Řídicí jednotka nemůže tuto hodnotu měřit přímo, protože sama napájí motor. Nicméně, zná napětí, které aplikuje, a měří proud. Aplikované napětí se rozděluje do tří částí:

• pokles v odporu vinutí, úměrný proudu;
• část energie absorbovaná indukčností, která je úměrná změnám proudu;
• síla proti elektromotoru, kterou se snažíme dosáhnout.

Odebráním prvních dvou hodnot z aplikovaného napětí, zůstává třetí. To je celá práce pozorovatele.

Snímač toku

Běžná metoda se zaměřuje na magnetický tok spíše než na napětí. Integrací napětí v čase, odečtením úbytku napětí na odporu, získáme celkový magnetický tok, který vnímá vinutí. Odečtením části, která je způsobena proudem (indukčnost vynásobená proudem), zůstává magnetický tok generovaný magnety, jehož směr určuje úhel rotoru.

Integrace má jednu nevýhodu: i sebemenší chyba se kumuluje a ovlivňuje výsledek. Moderní systémy ji korigují neustále tím, že vynucují, aby amplituda odhadovaného toku zůstala rovna známému toku magnetů. Proto detekce motoru měří právě tento tok.

Druhý stupeň, často fázový synchronizační obvod (PLL), vyhlazuje získaný úhel a na základě toho odvozuje rychlost.

Co ho oklame

• Odpor, který se mění s teplotou: hliník se při zahřátí stává méně vodivým. Špatně známý odpor zkresluje odhad, zejména při nízkých rychlostech, kde je protielektromotorická síla slabá. Viz náš návod o zahřívání elektromotoru.
• `Nesprávně změřená indukčnost`: Chyba se zvětšuje s rostoucím proudem a rychlostí změny proudu.
• Magnety, které ztrácejí svou sílu, když se zahřívají: skutečný magnetický tok se odchyluje od známého magnetického toku.
• Nedokonalé měření: posunutí senzorů proudu, skutečné napětí se liší od nastavené hodnoty kvůli odezvě systému.

Limit brzdného systému

Při zastavení motor nevytváří žádné napětí: pozorovatel nemá co pozorovat. Při velmi nízkých rychlostech je signál tak slabý, že chyby převažují. Proto může motor bez senzoru váhat nebo se třást při rozjezdu pod zatížením, zatímco po rozjetí běží bez problémů.

Existují tři možnosti:

• Spuštění v otevřené smyčce: Řídicí jednotka spouští motor bez ohledu na zpětnou vazbu, dokud motor nedosáhne otáček, při kterých se do řízení zapojí senzor
• Vstřikové řízení vysoké frekvence: Řídicí jednotka přidává malý, rychlý signál a sleduje, jak se indukčnost motoru mění v závislosti na úhlu. To funguje při zastavení, zejména u motorů s výraznou saivostí, jako jsou motory s vnitřními magnety;
• Senzory Hall při startu, následované přepnutím na režim sledování během jízdy: toto je nejběžnější řešení u koloběžek. Pro více informací si prohlédněte náš návod na senzory polohy.

Proč je systém bez senzorů tak oblíbený?

• Žádné senzory, které by bylo nutné instalovat, zapojovat, chránit před vodou a teplem.
• Odhad, který je často přesnější než údaje ze senzorů Hall, jakmile se motor začne otáčet.
• Řešení pro případ, kdy během jízdy dojde k poruše senzoru.