HFI im VESC: Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors ohne Hallsensoren bei Nullgeschwindigkeit
Ohne Sensor schätzt ein FOC-Controller die Position des Rotors anhand der Spannung, die der Motor beim Drehen erzeugt. Im Stillstand gibt es keine Spannung, die abgelesen werden kann: daher zögert ein Start ohne Sensor manchmal, besonders unter Last. Die HFI-Technologie (High Frequency Injection, Hochfrequenz-Injektion) umgeht dieses Problem: der Controller sendet kleine Spannungsimpulse in den Motor und leitet die Position des Rotors daraus ab, wie der Strom darauf reagiert. Dies setzt jedoch voraus, dass der Motor dafür geeignet ist.
Das Wichtigste
- Der HFI-Wert wird unter Motor Settings, FOC, General, im Parameter Sensor Mode eingestellt.
- Es funktioniert nur mit Motoren, deren Induktivität sich mit der Position des Rotors ändert (man spricht hier von Sättigung).
- Es gibt verschiedene Varianten: HFI, VSS und sogenannte leise Versionen.
- Der HFI (High-Frequency Inverter) wirkt nur bei niedrigen Geschwindigkeiten; darüber hinaus übernimmt der herkömmliche, sensorlose Controller die Steuerung.
- Bei einem Motor, der mit Hall-Sensoren ausgestattet ist und in gutem Zustand ist, bleiben die Hall-Sensoren die einfachste Lösung.
Das Problem des sensorlosen Anfahrens
Im Sensorlosen Betrieb verwendet der VESC einen Beobachter: eine Berechnung, die die Position des Rotors anhand von Spannungen und Strömen schätzt, und zwar unter Berücksichtigung der Gegen-EMK, der Spannung, die der Motor beim Drehen erzeugt. Diese Spannung ist proportional zur Geschwindigkeit: im Stillstand ist sie null, und der Beobachter hat nichts zu beobachten. Der Start erfolgt dann im offenen Regelkreis, indem ein Drehfeld erzeugt wird, was im Leerlauf funktioniert, aber unter Last zu Ruckeln oder einem zögerlichen Anfahren führen kann. Unser Leitfaden zum sensorlosen Beobachter erläutert diesen Mechanismus.
Das Prinzip des HFI (Fehlerstrom-Schutzschalters)
In vielen Motoren ist die Induktivität nicht gleich, je nachdem, ob sie entlang der Magnetachsen (Achse D) oder um 90 Grad dazu (Achse Q) gemessen wird. Dieser Unterschied, der als Salienz bezeichnet wird, tritt vor allem bei Motoren mit Innendauermagneten auf. Durch das Einspeisen einer kleinen, hochfrequenten Wechselspannung und die Messung des resultierenden Stroms kann das Steuerungssystem erkennen, wo sich die Achse der geringeren Induktivität befindet, also der Rotor, selbst wenn der Motor stillsteht.
Eine Schwierigkeit besteht weiterhin: diese Messung unterscheidet nicht zwischen Nord- und Südpol. Der HFI (Hall-Effekt-Sensor) kann sich um 180 Grad elektrisch irren, und der Motor würde in die falsche Richtung anfahren. Es ist daher notwendig, diese Mehrdeutigkeit beim Start zu beseitigen, indem die magnetische Sättigung des Eisens ausgenutzt wird: Das ist die Aufgabe des Einstellungsmodus HFI Ambiguity Resolve Mode.
Das VESC Tool speichert die gemessene magnetische Streuinduktivität im Parameter Motor Inductance Difference (Lq - Ld). Die Hilfefunktion gibt an, dass der Befehl measure_ind im Terminal die Messung durchführt, während der klassische Detektionsassistent diese noch nicht anzeigt. Eine sehr geringe Differenz deutet auf einen schwierigen HFI hin.
Die angebotenen Varianten
| Sensor-Modus | Prinzip gemäß der VESC Tool-Hilfe |
|---|---|
| HFI | Die Position wird durch Injektion von Spannungsimpulsen auf Null reduziert; dafür ist eine ausreichende Differenz zwischen Ld und Lq erforderlich |
| VSS | Vedder Sensorless Start: Verwendet den HFI (Hall-Effekt-Sensor) nur beim Start, um die Ausgangsposition zu finden, und lässt dann den Beobachter arbeiten; kann bei Motoren mit schwachen Hall-Sensoren hilfreich sein |
| 45 Grad V0V7 HFI (leise) | Eine leise Variante ist möglich, wenn die Schaltfrequenz hoch genug ist, und sie bietet eine höhere Stabilität unter hoher Last. Dies erfordert jedoch eine präzise Messung der Induktivität und die Verwendung von Shunts in den Phasen |
| 45 Grad V0 HFI | Gleiches Prinzip, Messung in einer einzigen Richtung |
| Gekoppelte V0V7 HFI (leise) | Injektion auf der D-Achse und Messung auf der Q-Achse; weniger anfällig für Induktivitätsfehler, weniger gut bei hoher Belastung |
| Gekoppelte V0 HFI-Technologie | Gleiches Prinzip, Messung in einer einzigen Richtung |
Der originale HFI-Modus erzeugt ein hörbares Zischen: das ist die Injektion selbst. Leise Varianten unterdrücken dies, wenn die Hardware dies ermöglicht.
Die Einstellungen für den HFI-Tab
In den Motor Einstellungen, im Bereich FOC, fasst der Reiter HFI Folgendes zusammen:
- Sensorless ERPM HFI: Die elektrische Drehzahl, bei der der HFI-Modus verwendet wird; darüber übernimmt der herkömmliche Sensorbetrieb.
- HFI Startspannung: Die beim Start eingespeiste Spannung, um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden; sie muss genügend Strom erzeugen, um die Sättigung sichtbar zu machen.
- `HFI-Betriebsspannung` und `HFI-Maximalspannung`: Die eingespeiste Spannung im Betrieb, die von der ersten zur zweiten Spannung ansteigt, abhängig vom Motorstrom. Eine höhere Spannung verbessert die Regelung, verursacht aber mehr Geräusche und Verluste.
- `HFI-Messwerte : Die Anzahl der Messungen pro Umdrehung (8, 16 oder 32).`
- `HFI Start Samples : Die Anzahl der Messwerte beim Startvorgang; während dieser Zeit hat das Gaspedal keine Wirkung.`
- Modus zur Auflösung der HFI-Mehrdeutigkeit: Sechs Vektoren (die alte Methode, schnell, geeignet für die meisten Modellmotoren), Id Single Pulse oder Id Double Pulse (Stromimpuls in der D-Achse, zuverlässiger bei großen Eisenrotoren). Die Impuls-Modi verwenden HFI Ambiguity Resolve Current.
- HFI-Überwachungs-Überschreibzeit: Ein kurzer Zeitraum, in dem der Überwachungsmodus aktiv bleibt, um ein Hin- und Herwechseln zwischen den beiden Methoden zu vermeiden.
Und was ist mit einem Motor für ein E-Scooter?
Die Motorräder für Roller haben meistens Magnete, die auf der Oberfläche des Rotors aufgeklebt sind. Diese Motoren haben in der Regel eine geringe Saillation, was die HFI-Funktion unsicher macht. Unser Leitfaden zu Motoren mit Innen- und Oberflächenmagneten erklärt den Unterschied. Sie haben fast immer Hallsensoren, die einen sauberen Start ohne komplizierte Einstellungen ermöglichen. Die HFI-Funktion ist besonders dann sinnvoll, wenn es keine Sensoren gibt, wenn die Sensoren eine Fehlerquelle darstellen (offene Kabel, Feuchtigkeit) oder bei Motoren mit Innenmagneten. Um die verschiedenen Lösungen zu vergleichen, sehen Sie sich unseren Leitfaden zu Motordrehzahl-Sensoren an.
Die Methode zum Ausprobieren
- Führen Sie eine saubere, sensorlose FOC-Erkennung durch und überprüfen Sie, ob der Motor bei mittlerer Geschwindigkeit ordnungsgemäß läuft.
- Messen Sie die magnetische Durchflutung mit `measure_ind` im Terminal.
- Wenn das Rad angehoben ist, wählen Sie VSS oder HFI im Sensor Mode und testen Sie Anfahrversuche mit geringem Strom.
- Wenn der Motor manchmal in die falsche Richtung anläuft, arbeiten Sie an den Einstellungen HFI Ambiguity Resolve Mode und HFI Start Voltage.
- Erhöhen Sie die Belastung schrittweise: Insbesondere bei hohem Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit kann der HFI am leichtesten seine Position verlieren.
Werkstatt-Tipp.
Ein Start, der ins Schleudern gerät oder ruckartig unter Last ist, ist für ein Fahrzeug gefährlich. Verwenden Sie die HFI-Funktion erst, nachdem Sie Dutzende von erfolgreichen Starts mit dem Hinterrad im Luft gemacht haben, und zwar bei niedriger Geschwindigkeit und unter Last. Wenn Ihre Hall-Sensoren funktionieren, reparieren Sie diese, anstatt sie durch eine HFI-Funktion zu ersetzen. Für eine Reparatur der Verkabelung zwischen Motoren und Controllern, sehen Sie sich unser Angebot für die Bereitstellung von Motoren als Plug & Play-Lösung für die Controller an, oder nutzen Sie unsere Arbeitszeit (https://rage-mechanics.com/de/unsere-produkte/1529-arbeitszeit-30-minuten.html).
Häufig gestellte Fragen
Funktioniert der HFI-Schutz bei allen Motoren?
Nein. Es wird eine Differenz in der Induktivität zwischen den Achsen D und Q benötigt. Motoren mit Oberflächenmagneten haben oft eine geringe Differenz; VESC kann einigen von ihnen beim Anfahren helfen.
Warum pfeift mein Motor mit dem HFI?
Es handelt sich um eine hochfrequente Spannungsinjektion. Die leisen Modi reduzieren dieses Geräusch, vorausgesetzt, die Hardware unterstützt diese Funktion, insbesondere durch den Einsatz von Shunts in den Phasen.
Manchmal dreht der Motor in die falsche Richtung. Was kann man dagegen tun?
Es handelt sich um eine Mehrdeutigkeit von 180 Grad. Versuchen Sie einen anderen HFI-Auflösungsmodus oder eine höhere HFI-Anlaufspannung, um die Sättigung sichtbar zu machen.
Ersetzt der HFI (Nullleiter-Fehlerstromschutzschalter) die Hall-Sensoren?
Es ist möglich, dies bei Motoren einzusetzen, die dafür geeignet sind. Bei den meisten Motorvarianten von Elektrorollern sind jedoch Hall-Sensoren in gutem Zustand die einfachere und robustere Lösung.
Verbraucht der HFI (Fehlerstrom-Schutzschalter) Strom?
Ja, das stimmt: Die Einspritzung verursacht Verluste. Deshalb ist die eingespritzte Spannung einstellbar, und deshalb schaltet der HFI bei Werten oberhalb des Sensorless ERPM HFI ab.