Hall-Sensoren, Encoder, Resolver oder sensorlose Ansteuerung: Wie der Controller weiß, wo sich der Motor befindet

Ein Elektromotor mit Permanentmagneten funktioniert nur dann optimal, wenn das Steuergerät den Strom an die richtige Stelle liefert, also in Abhängigkeit von der genauen Position des Rotors. Es gibt vier Hauptmethoden, um diese Position zu ermitteln. Diese Methoden unterscheiden sich in ihrem Preis, ihrer Genauigkeit und ihrer Reaktion auf Stillstand, hohe Geschwindigkeiten, Wasser oder Hitze.

Warum ist die Positionierung so wichtig?

Das Drehmoment eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC-Motor) ist maximal, wenn das von den Wicklungen erzeugte Magnetfeld um 90 Grad elektrisch gegenüber dem Magnetfeld der Magnete versetzt ist. Eine Abweichung von wenigen Grad führt zu einem geringen Drehmomentverlust; eine größere Abweichung kann dazu führen, dass der Motor ruckelt oder sogar bremst, anstatt zu beschleunigen. Unser Leitfaden zur Vektorregelung (FOC) erläutert diesen Mechanismus im Detail.

Achtung: Hierbei handelt es sich um elektrische Grade. Ein Motor mit mehreren Polpaaren dreht mehrere elektrische Umdrehungen pro mechanischer Umdrehung. Bei einem Nabenmotor für Roller, der viele Pole hat, führt ein kleiner mechanischer Fehler zu einem großen elektrischen Fehler.

Die Hall-Sensoren

Drei kleine Sensoren, die im Stator angebracht sind, erfassen den Durchgang der Magnete des Rotors. Jeder Sensor wechselt zwischen zwei Zuständen; zusammen unterteilen sie jede elektrische Umdrehung in sechs Sektoren von jeweils 60°.

• `Vorteile: sehr preiswert, einfach anzuschließen (fünf Drähte), Position ist auch im Stillstand bekannt, was einen reibungslosen Start ermöglicht.`
• `Einschränkungen: Ungenaue Messwerte, anfällig für Feuchtigkeit, Hitze und beschädigte Kabel. `

Dies ist die Standardausstattung für Motoren von Elektrorollern und Fahrrädern. Im Vektorsteuerungsmodus interpoliert der Controller die Position zwischen zwei Zustandsänderungen, um einen kontinuierlichen Winkel zu erhalten. Ein defekter Hallsensor verursacht die Symptome, die in unserem Leitfaden zum Motor, der ruckelt beschrieben werden.

Die Encoder

Ein Encoder misst den Winkel des Rotors präzise, oft mit Tausenden von Schritten pro Umdrehung. Zwei Haupttypen sind üblich:

• `Magnetische Encoder : Ein Chip liest die Ausrichtung eines kleinen Magneten, der am Ende der Achse befestigt ist. Sie sind kompakt und kostengünstig und liefern oft eine absolute Position beim Einschalten;`
• `Inkrementelle Encoder`, optisch oder magnetisch: Sie zählen Impulse und benötigen eine Referenz, um die absolute Position zu bestimmen.

Mit einem Encoder ist die vektorbasierte Steuerung präzise, vom Stillstand bis zur maximalen Geschwindigkeit. Man findet sie in Motoren für Motorräder, Go-Karts, Roboter und in Rennmaschinen. Sie erfordern eine sorgfältige Montage: Ein Encoder, der auf der Welle rutscht, verschiebt die gesamte Steuerung.

Die Drehgeber

Ein Drehgeber ist ein kleiner, rotierender Transformator, der im Motor ohne elektronische Komponenten verbaut ist. Der Controller versorgt ihn mit einem Wechselstromsignal und liest zwei Rückmeldungen aus, anhand derer er den Winkel ableitet.

• `Vorteile: sehr robust gegenüber Hitze, Vibrationen und elektrischen Störungen; absolute Positionierung.`
• `Einschränkungen: größer und teurer, erfordert einen dedizierten Lesekreislauf im Controller.`

Dies ist der Referenzsensor für Elektroautos, bei denen die Motoren stark erhitzen und hohe Drehzahlen erreichen.

Ohne Sensor

Der Controller kann die Position auch ohne Sensoren schätzen, basierend auf den Werten, die er bereits misst: die angelegten Spannungen und die fließenden Ströme. Eine Berechnung, die als Observer bezeichnet wird, rekonstruiert die Spannung, die vom Motor erzeugt wird, wenn er sich dreht, und leitet daraus den Winkel ab.

• `Vorteile: kein Sensor, der untergebracht, verkabelt oder geschützt werden muss; sehr präzise bei mittleren und hohen Geschwindigkeiten.`
• `Grenzen: Im Stillstand erzeugt der Motor keine Spannung, sodass der Messwertgeber nichts messen kann. Der Start unter hoher Last ist weniger ausgeprägt.`

Fortschrittliche Techniken, wie die Einspeisung eines hochfrequenten Signals, ermöglichen die Positionsbestimmung auch im Stillstand, indem sie die geringen Unterschiede in der Induktivität des Motors in Abhängigkeit vom Winkel ausnutzen. Sie funktionieren umso besser, je ausgeprägter die Saillation des Motors ist, wie beispielsweise bei Motoren mit Innennädern.

Der Vergleich

Die beste Kombination aus zwei Welten

Viele Controller kombinieren diese Lösungen: Sie verwenden Hallsensoren beim Start und bei niedrigen Geschwindigkeiten und wechseln dann zur sensorlosen Regelung, sobald der Motor schnell genug dreht. Dies ermöglicht einen schnellen Start und eine präzise Steuerung bei hohen Geschwindigkeiten. Dies ist die übliche Funktionsweise eines VESC-Controllers für einen Motor in einem E-Scooter, der während der Motorendetektion eingestellt wird.