Sensorløs styring: Hvordan en algoritme bestemmer motorens position

Mange controllere kan styre en motor uden nogen positionsfølere: vi taler om styring uden følere, eller "sensorless". Controlleren beregner løbende, hvor rotoren befinder sig, baseret på de målinger, den allerede foretager. Denne beregning kaldes en observatør. Denne guide forklarer princippet, fordelene og begrænsningerne ved denne teknologi.

Princippet: Lyt til dynamoen

En roterende permanentmagnetmotor fungerer som en generator: den producerer en spænding, kaldet modspænding, som er proportional med dens hastighed og orienteret i forhold til magneternes position. Hvis man kender denne spænding, kender man også rotorens vinkel.

Controlleren kan ikke måle dette direkte, da den selv forsyner motoren med strøm. Men den kender den spænding, den tilfører, og måler strømmen. Den påførte spænding fordeles i tre dele:

• faldet i modstanden i viklingerne, som er proportionalt med strømmen;
• den andel, der absorberes af induktansen, som er proportional med strømændringerne;
• den elektromotoriske modkraft, som man forsøger at opnå.

Ved at fjerne de to første værdier fra den påførte spænding, er der kun den tredje tilbage. Det er hele essensen af observatørens arbejde.

Strømforbrugsovervågning

En almindelig metode fokuserer på det magnetiske flux i stedet for spændingen. Ved at integrere spændingen over tid, minus spændingsfaldet i modstanden, opnås det samlede flux, som viklingerne oplever. Ved at trække fra den del, der skyldes strømmen (induktansen ganget med strømmen), er det, der er tilbage, magneternes flux, hvis retning angiver rotorens vinkel.

Integrationen har en svaghed: selv den mindste fejl akkumuleres og påvirker resultatet. Moderne systemer korrigerer dette løbende ved at sikre, at amplituden af det estimerede felt er lig med det kendte felt fra magneterne. Det er derfor, motordetektionen måler dette felt.

En anden sektion, ofte en fasedetektionsloop (PLL), udglatter den målte vinkel og udleder hastigheden ud fra den.

Det, der vildleder ham

• Modstanden, der ændrer sig med varmen: Varm kobber giver mere modstand. En ukendt modstand kan forvrænge estimeringen, især ved lave hastigheder, hvor den elektromotoriske kraft er lav. Se vores guide om opvarmning af elmotoren.
• `Forkert måling af induktans: Fejlen øges med strømmen og hastigheden af strømændringen.`
• Magneterne mister styrke, når de bliver varme: den faktiske magnetiske flux afviger fra den kendte magnetiske flux.
• `Upræcise målinger: forskydning af strømsensorer, den faktiske spænding, der anvendes, er forskellig fra den ønskede værdi på grund af forsinkelse.`

Grænsen for nedbremsning

Når motoren er i hvile, producerer den ingen spænding: observatøren har intet at observere. Ved meget lav hastighed er signalet så svagt, at fejlene dominerer. Derfor kan en motor uden sensorer tøve eller vibrere ved opstart under belastning, mens den kører perfekt, når den først er i gang.

Der findes tre løsninger:

• Start i åben sløjfe: Kontrolleren kører motoren op uden præcis kontrol, indtil motoren når en hastighed, hvor systemet overtager styringen;
• Højfrekvent injektion: Controlleren tilføjer et lille, hurtigt signal og observerer, hvordan motorens induktans varierer med vinklen. Dette fungerer godt ved stilstand, især på motorer med tydelig saliens, som f.eks. motorer med indvendige magneter;
• Hall-sensorerne bruges ved opstart, hvorefter systemet skifter til en anden metode under kørsel: dette er den mest almindelige løsning på elscootere. Se vores guide om positionsensorer.

Hvorfor er sensorløse systemer så populære?

• Ingen sensorer, der skal monteres, tilsluttes, eller beskyttes mod vand og varme.
• En estimering, som ofte er mere præcis end Hall-sensorer, så snart motoren begynder at rotere.
• En nødløsning, der træder i kraft, når en sensor fejler under kørslen.