Hall-sensorer, encoder, resolver eller sensorløs teknologi: hvordan controlleren ved, hvor motoren er placeret
En elektromotor med permanentmagneter fungerer kun optimalt, hvis styreenheden sender strøm til det rigtige sted, det vil sige baseret på den præcise position af rotoren. Der findes fire hovedmetoder til at bestemme denne position. De har forskellige priser, forskellige præcisionsgrader og reagerer forskelligt under stop, ved høj hastighed, i vand eller ved varme.
Det vigtigste
- Hall-sensorer: De er simple og billige, og de angiver positionen i intervaller på 60 grader elektrisk, hvilket er tilstrækkeligt til at starte effektivt.
- Encoder: Giver præcis og kontinuerlig positionsinformation, ideel til vektorkontrol ved alle hastigheder.
- Resolver: Meget robust over for varme og vibrationer, et valg der ofte foretrækkes i bilindustrien.
- Uden sensor: Positionen beregnes ud fra spændinger og strøm; fungerer godt under kørsel, men er mere udfordrende når den står stille.
Hvorfor er positioneringen så vigtig?
Momentet fra en motor med permanentmagnet er maksimalt, når feltet skabt af viklingerne er 90 grader elektrisk forskudt i forhold til feltet fra magneterne. En fejl på få grader reducerer momentet; en større fejl kan få motoren til at "hakke" eller endda få den til at bremse i stedet for at give trækkraft. Vores guide om vektorstyring forklarer denne mekanisme i detaljer.
Bemærk: Her taler vi om grader i den elektriske sammenhæng. En motor med flere polpar foretager flere elektriske omdrejninger per mekanisk omdrejning. På en motor til en el-scooter, som har mange polpar, kan en lille mekanisk fejl blive til en stor elektrisk fejl.
Hall-effekt sensorer
Tre små sensorer, placeret i statoren, registrerer magneternes bevægelse i rotoren. Hver sensor skifter mellem to tilstande, og tilsammen opdeler de hver elektrisk omdrejning i seks sektorer af 60 grader.
- Fordele: Meget billige, nemme at tilslutte (kun fem ledninger), kendt position selv når de er stille, hvilket sikrer en jævn start.
- `Begrænsninger: grov præcision, følsomme over for fugt, varme og beskadigede ledninger.`
Det er standardudstyret på motorer til elscootere og elcykler. I vektorkontrol interpolerer styreenheden positionen mellem to tilstandsskift for at opnå en kontinuerlig vinkel. En defekt Hallsensor giver de symptomer, der er beskrevet i vores guide til motorer, der hakker og ryger.
Encoderne
Enkoder måler vinklen på rotoren præcist, ofte med tusindvis af trin pr. omdrejning. To hovedtyper er almindelige:
- Magnetiske kodere: En chip aflæser orienteringen af en lille magnet, der er fastgjort til enden af akslen. De er kompakte og billige, og giver ofte en absolut position, så snart de er tændt
- `Inkrementale kodere, optiske eller magnetiske: De tæller impulser og har brug for en reference for at kende den absolutte position.`
Med en encoder er vektorkontrollen præcis fra stilstand til maksimal hastighed. De findes på motorer til motorcykler, go-carts, robotter og på konkurrencemaskiner. De kræver omhyggelig montering: en encoder, der glider på akslen, vil forskyde hele styringen.
Resolvere
En resolver er en lille, roterende transformator, der ikke indeholder elektronik i selve motoren. Controlleren forsyner den med et vekselstrømsignal og aflæser to retursignaler, ud fra hvilke den beregner vinklen.
- `Fordele: Meget robust over for varme, vibrationer og elektriske forstyrrelser; absolut positionering.`
- Begrænsninger: mere omfangsrig og dyrere, og kræver et dedikeret aflæsningskredsløb i controlleren.
Det er den førende sensor til el-biler, hvor motorerne bliver meget varme og roterer hurtigt.
Uden sensor
Controlleren kan også estimere positionen uden nogen sensorer, baseret på de målinger, den allerede foretager: de spændinger, den tilfører, og de strømme, der løber. En beregning, der kaldes en observatør, rekonstruerer spændingen, der produceres af motoren, når den roterer, og udleder vinklen.
- Fordele: Ingen sensorer, der skal monteres, tilsluttes eller beskyttes; meget præcis ved mellem- og høj hastighed.
- Begrænsninger: Når motoren er i stilstand, producerer den ingen spænding, så måleren vil ikke registrere noget. Opstart under tung belastning kan være mindre jævn.
Avancerede teknikker, som f.eks. injektion af et højfrekvent signal, muliggør estimering af positionen selv når motoren er i stilstand, ved at udnytte de små forskelle i motorens induktans afhængigt af vinklen. Disse teknikker fungerer særligt godt, når motoren har en tydelig "saillance", som f.eks. ved motorer med indre magneter.
Sammenligningen
| Hall | Encoder | Resolver | Uden sensor | |
|---|---|---|---|---|
| Præcision | Lav (60° elektrisk) | Hævet | Hævet | Opdraget gennem kørsel |
| Ved stilstand | Ja | Ja | Ja | Svært |
| Robusthed | Gennemsnit | Gennemsnitlig til god | Fremragende | Intet at bekymre sig om |
| Pris | Meget lav | Lav til moderat | Hævet | Nul |
| Typisk anvendelse | El-scooter, cykel | Motorcykel, gokart, robot, bane | Bil | Droner, ventilatorer, pumper |
Det bedste fra begge verdener
Mange controllere kombinerer disse løsninger: de bruger Hallsensorer ved opstart og ved lav hastighed, og skifter derefter til sensorløs estimering, så snart motoren roterer hurtigt nok. Dette giver en jævn start og præcis styring ved høj hastighed. Dette er den typiske funktion af en VESC-controller på en elscooter-motor, og den er indstillet under motordetektionen.
Ofte stillede spørgsmål
Kan man tilføje en encoder til en motor i en elektrisk scooter?
Det er svært på en motor med direkte drivaksel: akslen er fast, og det er fælgen, der roterer, hvilket komplicerer installationen af en traditionel encoder. Hallsensorer, kombineret med sensorfri estimering under kørsel, giver allerede meget gode resultater.
Hvorfor starter min motor dårligt uden Hallsensorer?
Fordi motoren ikke producerer nogen spænding, når den står stille, kan controlleren ikke beregne dens position. Den skal derfor dreje den en smule "blindt" for at finde positionen, hvilket resulterer i en tøvende start under belastning.
Kan en Hall-sensor blive defekt eller miste sin kalibrering?
Den kan forringes af varme eller fugt, eller den kan løsne sig, hvis limen giver efter. En sensor, der aktiveres på det forkerte tidspunkt, kan forårsage en motor, der larmer, er mindre effektiv og bliver varm.