Αισθητήρες Hall, κωδικοποιητής, resolver ή sensorless: πώς ο ελεγκτής γνωρίζει πού βρίσκεται ο κινητήρας

Ένας κινητήρας μαγνητών περιστρέφεται σωστά μόνο εάν ο ελεγκτής στέλνει το ρεύμα στο σωστό σημείο, δηλαδή ανάλογα με την ακριβή θέση του ρότορα. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τρόποι για να γνωρίζουμε αυτή τη θέση. Δεν κοστίζουν το ίδιο, δεν έχουν την ίδια ακρίβεια και δεν αντιδρούν το ίδιο στην ακινησία, στην υψηλή ταχύτητα, στο νερό ή στη θερμότητα.

Τα βασικά

• Αισθητήρες Hall: απλοί και οικονομικοί, δίνουν τη θέση ανά βήματα 60° ηλεκτρικών, επαρκείς για δυνατή εκκίνηση.
• Κωδικοποιητής: ακριβής και συνεχής θέση, ιδανικός για διανυσματικό έλεγχο σε όλες τις ταχύτητες.
• Resolver: πολύ ανθεκτικός στη θερμότητα και τους κραδασμούς, η επιλογή της αυτοκινητοβιομηχανίας.
• Χωρίς αισθητήρα (sensorless): η θέση υπολογίζεται από τις τάσεις και τα ρεύματα· τέλειο εν κινήσει, πιο ευαίσθητο στην ακινησία.

Γιατί η θέση μετράει τόσο πολύ

Η ροπή ενός κινητήρα μαγνητών είναι μέγιστη όταν το πεδίο που δημιουργείται από τις περιελίξεις βρίσκεται σε 90° ηλεκτρικές από αυτό των μαγνητών. Ένα σφάλμα λίγων μοιρών κάνει τον κινητήρα να χάνει λίγη ροπή· ένα μεγάλο σφάλμα τον κάνει να τραυλίζει, ή ακόμα και να φρενάρει αντί να ωθεί. Ο οδηγός μας για τον διανυσματικό έλεγχο αναλύει αυτόν τον μηχανισμό.

Προσοχή: εδώ μιλάμε για ηλεκτρικές μοίρες. Ένας κινητήρας με πολλά ζεύγη πόλων κάνει πολλές ηλεκτρικές περιστροφές ανά μηχανική περιστροφή. Σε έναν κινητήρα πλήμνης πατινιού, ο οποίος έχει πολλούς πόλους, ένα μικρό μηχανικό σφάλμα γίνεται μεγάλο ηλεκτρικό σφάλμα.

Οι αισθητήρες φαινομένου Hall

Τρεις μικροί αισθητήρες, τοποθετημένοι στον στάτορα, ανιχνεύουν τη διέλευση των μαγνητών του ρότορα. Ο καθένας εναλλάσσεται μεταξύ δύο καταστάσεων· και οι τρεις μαζί χωρίζουν κάθε ηλεκτρική περιστροφή σε έξι τομείς των 60°.

• Πλεονεκτήματα: πολύ οικονομικοί, απλοί στην καλωδίωση (πέντε καλώδια), η θέση είναι γνωστή ακόμα και σε ακινησία, άρα δυνατή εκκίνηση.
• Περιορισμοί: αδρή ακρίβεια, ευαίσθητοι στην υγρασία, τη θερμότητα και τα κατεστραμμένα καλώδια.

Αυτός είναι ο τυπικός εξοπλισμός των κινητήρων πατινιών και ποδηλάτων. Στον διανυσματικό έλεγχο, ο ελεγκτής παρεμβάλλει τη θέση μεταξύ δύο αλλαγών κατάστασης για να λάβει μια συνεχή γωνία. Ένας ελαττωματικός αισθητήρας Hall δίνει τα συμπτώματα που περιγράφονται στον οδηγό μας για τον κινητήρα που τραυλίζει.

Οι κωδικοποιητές

Ένας κωδικοποιητής μετρά τη γωνία του ρότορα με ακρίβεια, συχνά με χιλιάδες βήματα ανά περιστροφή. Δύο οικογένειες είναι κοινές:

• οι μαγνητικοί κωδικοποιητές: ένα τσιπ διαβάζει τον προσανατολισμό ενός μικρού μαγνήτη στερεωμένου στην άκρη του άξονα. Συμπαγείς και οικονομικοί, συχνά δίνουν μια απόλυτη θέση μόλις τεθούν υπό τάση·
• οι επαincremental κωδικοποιητές, οπτικοί ή μαγνητικοί: μετρούν παλμούς και χρειάζονται μια αναφορά για να γνωρίζουν την απόλυτη θέση.

Με έναν κωδικοποιητή, ο διανυσματικός έλεγχος είναι ακριβής από την ακινησία έως την τελική ταχύτητα. Τους βρίσκουμε σε κινητήρες μοτοσικλετών, καρτ, ρομπότ και αγωνιστικές μηχανές. Απαιτούν προσεκτική τοποθέτηση: ένας κωδικοποιητής που γλιστράει στον άξονα μετατοπίζει ολόκληρο τον έλεγχο.

Τα resolver

Ένα resolver είναι ένας μικρός περιστρεφόμενος μετασχηματιστής, χωρίς ηλεκτρονικά στον κινητήρα. Ο ελεγκτής το τροφοδοτεί με ένα ενα D.C./εναλλασσόμενο σήμα και διαβάζει δύο σήματα επιστροφής, από τα οποία συνάγει τη γωνία.

• Πλεονεκτήματα: πολύ ανθεκτικό στη θερμότητα, τους κραδασμούς και τις ηλεκτρικές παρεμβολές· απόλυτη θέση.
• Περιορισμοί: πιο ογκώδες και ακριβό, απαιτεί ειδικό κύκλωμα ανάγνωσης στον ελεγκτή.

Είναι ο αισθητήρας αναφοράς στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, όπου οι κινητήρες ζεσταίνονται πολύ και περιστρέφονται γρήγορα.

Χωρίς αισθητήρα (Sensorless)

Ο ελεγκτής μπορεί επίσης να εκτιμήσει τη θέση χωρίς κανέναν αισθητήρα, βάσει αυτών που μετράει ήδη: τις τάσεις που εφαρμόζει και τα ρεύματα που κυκλοφορούν. Ένας υπολογισμός που ονομάζεται παρατηρητής ανασυνθέτει την τάση που παράγεται από τον κινητήρα κατά την περιστροφή και συνάγει τη γωνία.

• Πλεονεκτήματα: κανένας αισθητήρας προς φιλοξενία, καλωδίωση ή προστασία· πολύ ακριβής σε μεσαία και υψηλή ταχύτητα.
• Περιορισμοί: στην ακινησία, ο κινητήρας δεν παράγει καμία τάση, οπότε ο παρατηρητής δεν έχει τίποτα να μετρήσει. Η εκκίνηση υπό υψηλό φορτίο είναι λιγότερο άμεση.

Προηγμένες τεχνικές, όπως η έγχυση σήματος υψηλής συχνότητας, επιτρέπουν την εκτίμηση της θέση ακόμα και σε ακινησία, αξιοποιώντας τις μικρές διαφορές επαγωγής του κινητήρα ανάλογα με τη γωνία. Λειτουργούν τόσο καλύτερα όσο πιο έντονη προεξοχή (salience) έχει ο κινητήρας, όπως οι κινητήρες εσωτερικών μαγνητών.

Η συγκριτική

Το καλύτερο και των δύο κόσμων

Πολλοί ελεγκτές συνδυάζουν τις λύσεις: χρησιμοποιούν τους αισθητήρες Hall κατά την εκκίνηση και σε χαμηλή ταχύτητα, και στη συνέχεια μεταβαίνουν στην εκτίμηση χωρίς αισθητήρα μόλις ο κινητήρας περιστρέφεται αρκετά γρήγορα. Επιτυγχάνεται έτσι μια άμεση εκκίνηση και ακριβής έλεγχος σε υψηλή ταχύτητα. Αυτή είναι η συνήθης λειτουργία ενός ελεγκτή VESC σε κινητήρα πατινιού, που ρυθμίζεται κατά την ανίχνευση του κινητήρα.

Συχνές ερωτήσεις

Μπορούμε να προσθέσουμε έναν κωδικοποιητή σε κινητήρα πατινιού;

Είναι δύσκολο σε έναν κινητήρα πλήμνης: ο άξονας είναι σταθερός και η ζάντα περιστρέφεται, γεγονός που δυσκολεύει την τοποθέτηση ενός κλασικού κωδικοποιητή. Οι αισθητήρες Hall, σε συνδυασμό με την εκτίμηση χωρίς αισθητήρα εν κινήσει, δίνουν ήδη πολύ καλά αποτελέσματα.

Γιατί ο κινητήρας μου ξεκινάει άσχημα χωρίς αισθητήρες Hall;

Επειδή σε ακινησία, ο κινητήρας δεν παράγει καμία τάση: ο ελεγκτής δεν μπορεί να υπολογίσει τη θέση του. Πρέπει να τον κάνει να περιστραφεί λίγο «στα τυφλά» για να τη βρει, γεγονός που δίνει μια διστακτική εκκίνηση υπό φορτίο.

Μπορεί ένας αισθητήρας Hall να απορρυθμιστεί;

Μπορεί να υποβαθμιστεί με τη θερμότητα ή την υγρασία, ή να μετακινηθεί εάν η κόλλα του υποχωρήσει. Ένας αισθητήρας που εναλλάσσεται τη λάθος στιγμή κάνει τον κινητήρα θορυβώδη, λιγότερο αποδοτικό και να ζεσταίνεται.