Sensorlose Steuerung: Wie ein Algorithmus die Position des Motors ermittelt

Durch die Werkstatt von Rage Mechanics in Lyon. Veröffentlicht am 03.11.2026. Lesezeit: 4 Min.

Viele Controller können einen Motor ohne jegliche Positionssensoren ansteuern: Man spricht von einer sensorlosen Steuerung, oder "sensorless". Der Controller berechnet dann kontinuierlich die Position des Rotors, basierend auf den bereits gemessenen Werten. Diese Berechnung wird als Observer bezeichnet. Dieser Leitfaden erklärt das Prinzip, die Stärken und die Grenzen dieser Technologie.

Das Wichtigste

  • Beim Lenken erzeugt ein bürstenloser Motor eine Spannung, deren Polarität die Position des Rotors anzeigt.
  • Der Beobachter ermittelt diese Spannung aus der angelegten Spannung und dem gemessenen Strom, indem er den Wert abzieht, den der Widerstand und die Induktivität der Wickungen verbrauchen.
  • Er benötigt korrekte Werte für den Widerstand, die Induktivität und den Fluss des Motors – und genau das liefert die Motorerkennung.
  • Bei Stillstand und sehr niedrigen Geschwindigkeiten gibt es kaum etwas zu messen: das ist die große Einschränkung der sensorlosen Technologie.

Das Prinzip: Die Dynamomaschine abhören

Ein rotierender Permanentmagnetmotor ist ein Generator: Er erzeugt eine Spannung, die sogenannte Gegen-EMK (elektromotorische Kraft), die proportional zu seiner Drehgeschwindigkeit ist und deren Richtung von der Position der Magnete abhängt. Wenn man diese Spannung kennt, kennt man auch den Winkel des Rotors.

Der Controller kann den Wert nicht direkt messen, da er selbst den Motor versorgt. Er kennt jedoch die angelegte Spannung und misst den Strom. Die angelegte Spannung verteilt sich auf drei Bereiche:

  • der Spannungsabfall in der Widerstand der Wicklungen, proportional zum Strom;
  • der Anteil, der von der Induktivität absorbiert wird und proportional zu den Stromänderungen ist;
  • die Gegenspannung, die wir suchen.

Durch das Entfernen der ersten beiden Werte aus der angelegten Spannung bleibt der dritte Wert übrig. Das ist die gesamte Aufgabe des Beobachters.

Der Stromsensor

Eine weit verbreitete Methode berechnet den magnetischen Fluss und nicht die Spannung. Durch die Integration der angelegten Spannung über die Zeit, abzüglich des Spannungsabfalls in der Wicklung, erhält man den gesamten magnetischen Fluss, der von den Wicklungen wahrgenommen wird. Durch Subtraktion des Anteils, der auf den Strom zurückzuführen ist (die Induktivität multipliziert mit dem Strom), bleibt der Fluss der Magnete übrig, dessen Richtung den Winkel des Rotors angibt.

Die Integration hat einen Nachteil: Schon die kleinste Ungenauigkeit akkumuliert sich und führt zu einer Abweichung im Ergebnis. Moderne Algorithmen korrigieren dies ständig, indem sie sicherstellen, dass die Amplitude des geschätzten Flusses gleich dem bekannten Fluss der Magnete bleibt. Aus diesem Grund misst die Motorderkennung genau diesen Fluss.

Eine zweite Stufe, oft eine Phasenregel-Schleife (PLL), glättet den erhaltenen Winkel und leitet daraus die Geschwindigkeit ab.

Was ihn täuscht

  • `Der Widerstand, der sich mit der Temperatur ändert: Kupfer leitet bei höherer Temperatur weniger gut. Ein unbekannter Widerstandwert kann die Schätzung verfälschen, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, wo die Gegen-EMK-Kraft gering ist. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zum Aufheizen von Elektromotoren an. `
  • `Eine falsch gemessene Induktivität: Der Fehler nimmt mit dem Strom und der Änderungsgeschwindigkeit des Stroms zu.`
  • `Die Magnete verlieren an Stärke, wenn sie heiß werden: Der tatsächliche Fluss weicht vom bekannten Fluss ab.`
  • `Ungenauigkeiten bei den Messwerten:` Abweichung der Stromsensoren, tatsächlich angelegte Spannung unterscheidet sich von der Sollwert aufgrund von Ansprechzeiten.

Die Bremsgrenze

Im Stillstand erzeugt der Motor keine Spannung: Der Beobachter hat nichts zu beobachten. Bei sehr niedriger Geschwindigkeit ist das Signal so schwach, dass Fehler überwiegen. Deshalb kann ein motor ohne Sensor beim Anfahren unter Last zögern oder vibrieren, während er einmal in Bewegung perfekt läuft.

Drei Lösungen stehen zur Verfügung:

  • Der Start im offenen Schleifenmodus: Der Controller betreibt den Motor blind, bis er eine Geschwindigkeit erreicht, bei der der Beobachter die Kontrolle übernimmt;
  • Hochfrequenz-Injektion: Der Controller fügt ein kleines, schnelles Signal hinzu und beobachtet, wie sich die Induktivität des Motors mit dem Winkel verändert. Dies funktioniert im Stillstand, insbesondere bei Motoren mit starker Magnetfeldwirkung, wie z.B. Motoren mit Innendauermagneten;
  • Die Hallsensoren werden beim Start verwendet, danach erfolgt der Übergang zum Beobachter während der Fahrt: Dies ist die häufigste Lösung bei Elektrorollern. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zu Positionssensoren an.

Warum ist die Sensorlose Technologie so beliebt?

  • Keine Sensoren, die eingebaut, verkabelt oder vor Wasser und Hitze geschützt werden müssen.
  • Eine Schätzung, die oft genauer ist als die von Hallsensoren, sobald der Motor in Bewegung ist.
  • Eine Notfalllösung, falls ein Sensor während der Fahrt ausfällt.

Häufig gestellte Fragen

Warum bietet die VESC-Firmware mehrere Sensoren?

Da keiner überall perfekt ist. Einige sind widerstandsfähiger gegen Parameterfehler, andere folgen schnelleren Veränderungen besser oder funktionieren bei niedrigeren Geschwindigkeiten. Die Wahl hängt vom Motor und der Anwendung ab, und das Ergebnis wird durch Probefahrten überprüft.

Kann ein Motor, der korrekt erkannt wurde, nach längerer Belastung ohne Sensor fehlerhaft funktionieren?

Ja: Durch die Erwärmung steigt der Widerstand der Wicklungen, und die Magnete verlieren etwas an ihrer Stärke. Die Differenz zu den Werten, die bei kalter Temperatur gemessen werden, kann die Schätzung bei niedrigen Geschwindigkeiten beeinträchtigen. Einige Controller kompensieren den Widerstand basierend auf der Motortemperatur.

Ist ein sensorloses System für E-Scooter geeignet?

Im Betrieb ist es sehr gut. Bei Anfahrten aus dem Stillstand, insbesondere bergauf oder mit einem schwereren Fahrer, sind Hall-Sensoren jedoch weiterhin von Vorteil. Die Kombination aus beidem ist die beste Wahl.