ΈλεGχος χωρίς αισθητήρα: πώς ένας παρατηρητής μαντεύει τη θέση

Πολλοί ελεγκτές ξέρουν πώς να οδηγούν έναν κινητήρα χωρίς κανέναν αισθητήρα θέσης: μιλάμε για έλεγχο χωρίς αισθητήρα, ή «sensorless». Ο ελεγκτής υπολογίζει τότε συνεχώς πού βρίσκεται ο δρομέας, με βάση αυτά που μετράει ήδη. Αυτός ο υπολογισμός ονομάζεται παρατηρητής. Αυτός ο οδηγός εξηγεί την αρχή του, τα δυνατά του σημεία και τα όριά του.

Η αρχή: ακούγοντας τη δυναμό

Ένας περιστρεφόμενος κινητήρας μαγνητών είναι μια γεννήτρια: παράγει μια τάση, την ηλεκτromegernετική δύναμη, ανάλογη με την ταχύτητά του και προσανατολισμένη σύμφωνα με τη θέση των μαγνητών. Αν γνωρίζουμε αυτή την τάση, γνωρίζουμε τη γωνία του δρομέα.

Ο ελεγκτής δεν μπορεί να τη μετρήσει απευθείας, αφού τροφοδοτεί ο ίδιος τον κινητήρα. Αλλά γνωρίζει την τάση που εφαρμόζει και μετράει το ρεύμα. Η εφαρμοζόμενη τάση κατανέμεται σε τρία μέρη:

• η πτώση στην αντίσταση των πηνίων, ανάλογη με το ρεύμα·
• το μέρος που απορροφάται από την αυτεπαγωγή, ανάλογο με τις διακυμάνσεις του ρεύματος·
• η αντιηλεκτromegernετική δύναμη, αυτή που ψάχνουμε.

Αφαιρώντας τα δύο πρώτα από την εφαρμοζόμενη τάση, απομένει η τρίτη. Αυτή είναι όλη η δουλειά του παρατηρητή.

Ο παρατηρητής ροής

Μια διαδεδομένη μέθοδος συλλογίζεται τη μαγνητική ροή και όχι την τάση. Ενσωματώνοντας στο χρόνο την εφαρμοζόμενη τάση, μείον την πτώση στην αντίσταση, λαμβάνουμε τη συνολική ροή που βλέπουν τα πηνία. Αφαιρώντας το μέρος που οφείλεται στο ρεύμα (την αυτεπαγωγή πολλαπλασιασμένη με το ρεύμα), απομένει η ροή των μαγνητών, η κατεύθυνση της οποίας δίνει τη γωνία του δρομέα.

Η ολοκλήρωση έχει ένα ελάττωμα: το παραμικρό λάθος συσσωρευ-ται και προκαλεί απόκλιση του αποτελέσματος. Οι σύγχρονοι παρατηρητές το διορθώνουν συνεχώς επιβάλλοντας ώστε το πλάτος της εκτιμώμενης ροής να παραμένει ίσο με τη γνωστή ροή των μαγνητών. Γι' αυτόν τον λόγο η ανίχνευση κινητήρα μετράει αυτή τη ροή.

Ένας δεύτερος όροφος, συχνά ένας βρόχος παρακολούθησης φάσης (PLL), εξομαλύνει τη γωνία που λαμβάνεται και συμπεραίνει την ταχύτητα.

Αυτό που τον ξεγελά

• Η αντίσταση που αλλάζει με τη θερμότητα: ο ζεστός χαλκός αντέχει περισσότερο. Μια εσφαλμένα γνωστή αντίσταση διαστρεβλώνει την εκτίμηση, ειδικά σε χαμηλή ταχύτητα όπου η αντιηλεκτromegernετική δύναμη είναι χαμηλή. Δείτε τον οδηγό μας για τη θέρμανση του κινητήρα.
• Μια κακομετρημένη αυτεπαγωγή: το σφάλμα μεγαλώνει με το ρεύμα και την ταχύτητα διακύμανσης του ρεύματος.
• Οι μαγνήτες που εξασθενούν όταν ζεσταίνονται: η πραγματική ροή αποκλίνει από τη γνωστή ροή.
• Οι ατελείς μετρήσεις: μετατόπιση των αισθητήρων ρεύματος, πραγματικά εφαρμοζόμενη τάση διαφορετική από την εντολή λόγω χρόνου νεκρού (deadtime).

Το όριο της ακινησίας

Στην ακινησία, ο κινητήρας δεν παράγει καμία τάση: ο παρατηρητής δεν έχει τίποτα να παρατηρήσει. Σε πολύ χαμηλή ταχύτητα, το σήμα είναι τόσο αδύναμο που τα σφάλματα κυριαρχούν. Γι' αυτό ένας κινητήρας χωρίς αισθητήρα μπορεί να διστάζει ή να τρέμει κατά την εκκίνηση υπό φορτίο, ενώ περιστρέφεται τέλεια μόλις ξεκινήσει.

Υπάρχουν τρεις λύσεις:

• εκκίνηση σε ανοιχτό βρόχο: ο ελεγκτής περιστρέφει το πεδίο στα τυφλά μέχρι ο κινητήρας να φτάσει σε ταχύτητα όπου ο παρατηρητής αναλαμβάνει·
• έγχυση υψηλής συχνότητας: ο ελεγκτής προσθέτει ένα μικρό γρήγορο σήμα και παρατηρεί πώς η αυτεπαγωγή του κινητήρα ποικίλλει ανάλογα με τη γωνία. Αυτό λειτουργεί στην ακινησία, ειδικά σε κινητήρες με έντονη προεξοχή όπως οι κινητήρες εσωτερικών μαγνητών·
• αισθητήρες Hall στην εκκίνηση, στη συνέχεια μετάβαση στον παρατηρητή κατά την οδήγηση: αυτή είναι η πιο κοινή λύση στα πατίνια. Δείτε τον οδηγό μας στους αισθητήρες θέσης.

Γιατί ο έλεγχος χωρίς αισθητήρα είναι τόσο δημοφιλής

• Κανένας αισθητήρας για τοποθέτηση, καλωδίωση, προστασία από το νερό και τη θερμότητα.
• Μια εκτίμηση συχνά πιο λεπτή από τους αισθητήρες Hall μόλις ο κινητήρας περιστρέφεται.
• Μια εφεδρική λύση όταν ένας αισθητήρας χαλάει κατά την οδήγηση.