Sensores Hall, codificador, resolver o sin sensores: ¿cómo el controlador sabe la posición del motor?
Un motor de imanes solo funciona correctamente si el controlador envía la corriente al lugar adecuado, es decir, en función de la posición exacta del rotor. Existen cuatro métodos principales para determinar esta posición. Estos métodos no tienen el mismo costo, no ofrecen la misma precisión y no reaccionan de la misma manera ante situaciones como el arranque, la alta velocidad, el agua o el calor.
Lo esencial
- Sensores Hall: son sencillos y económicos, y proporcionan la posición en incrementos de 60° eléctricos, lo cual es suficiente para un arranque óptimo.
- Codificador: proporciona una lectura precisa y continua de la posición, ideal para el control vectorial a todas las velocidades.
- Resolutor: Muy resistente al calor y a las vibraciones, una opción común en la industria automotriz.
- Sin sensor: la posición se calcula a partir de las tensiones y corrientes; ideal para uso en movimiento, pero más complicado cuando está detenido.
¿Por qué la posición es tan importante?
El par de un motor de imanes es máximo cuando el campo creado por los bobinados está a 90° eléctricos del campo de los imanes. Un error de unos pocos grados reduce ligeramente el par; un error mayor puede hacer que el motor funcione de manera irregular, o incluso que frene en lugar de impulsar. Nuestra guía sobre la control vectorial (FOC) detalla este mecanismo.
Atención: aquí hablamos de grados eléctricos. Un motor con múltiples pares de polos realiza múltiples revoluciones eléctricas por cada revolución mecánica. En un motor de buje de patinete, que tiene muchos polos, un pequeño error mecánico se convierte en un gran error eléctrico.
Los sensores de efecto Hall
Tres pequeños sensores, ubicados en el estator, detectan el paso de los imanes del rotor. Cada uno alterna entre dos estados; en conjunto, dividen cada vuelta eléctrica en seis sectores de 60°.
- Ventajas: muy económicos, fáciles de conectar (cinco cables), posición conocida incluso cuando están detenidos, lo que permite un arranque suave.
- Limitaciones: precisión limitada, sensibles a la humedad, al calor y a los cables dañados.
Este es el equipo estándar de los motores de patinetes y bicicletas. En control vectorial, el controlador interpola la posición entre dos cambios de estado para obtener un ángulo continuo. Un sensor Hall defectuoso produce los síntomas descritos en nuestra guía del motor que "brotea" o "salta".
Los codificadores
Un codificador mide el ángulo del rotor con gran precisión, a menudo con miles de pasos por revolución. Existen dos familias principales:
- Los codificadores magnéticos: Un chip lee la orientación de un pequeño imán fijado al extremo del eje. Compactos y económicos, a menudo proporcionan una posición absoluta desde el momento en que se encienden;
- Los codificadores incrementales, ópticos o magnéticos: cuentan impulsos y necesitan una referencia para conocer la posición absoluta.
Con un encoder, el control vectorial es preciso desde la parada hasta la velocidad máxima. Se encuentran en motores de motocicletas, karts, robots y en máquinas de competición. Requieren un montaje cuidadoso: un encoder que se desliza sobre el eje desplaza todo el sistema de control.
Los resolvers
Un resolver es un pequeño transformador rotatorio, que no contiene electrónica dentro del motor. El controlador lo alimenta con una señal alterna y lee dos señales de retorno, a partir de las cuales deduce el ángulo.
- Ventajas: muy resistente al calor, a las vibraciones y a las perturbaciones eléctricas; posición absoluta.
- Limitaciones: Es más voluminoso y más caro, y requiere un circuito de lectura dedicado dentro del controlador.
Este es el sensor de referencia para vehículos eléctricos, donde los motores se calientan mucho y giran a alta velocidad.
Sin sensor
El controlador también puede estimar la posición sin ningún sensor, basándose en lo que ya mide: las tensiones que aplica y las corrientes que circulan. Un cálculo llamado observador reconstruye la tensión producida por el motor al girar, y a partir de ahí deduce el ángulo.
- `Ventajas: no requiere sensores que alojar, cablear ni proteger; muy preciso a velocidades medias y altas.`
- Limitaciones: Cuando el vehículo está detenido, el motor no produce voltaje, por lo que el observador no tiene nada que medir. El arranque con una carga alta es menos eficiente.
Técnicas avanzadas, como la inyección de una señal de alta frecuencia, permiten estimar la posición incluso cuando el motor está detenido, aprovechando las pequeñas diferencias de inductancia del motor según el ángulo. Funcionan mejor cuanto más marcada es la saiencia del motor, como en los motores de imanes interiores.
Le comparatif
| Hall | Codificador | Resolutor | Sin sensor | |
|---|---|---|---|---|
| Precisión | Bajo (60° eléctricos) | Elevada | Elevada | Criada y desarrollada a través de la práctica |
| A velocidad cero | Sí | Sí | Sí | Difícil |
| Robustez | Promedio | Promedio a bueno | Excelente | No hay nada que pueda romperse |
| Costo | Muy bajo | Bajo a medio | Elevado | Nulo |
| Uso típico | Patinetes, bicicletas | Motocicleta, kart, robot, circuito | Automóvil | Drones, ventiladores, bombas |
La mejor combinación de ambos mundos
Muchos controladores combinan estas soluciones: utilizan los sensores Hall al arrancar y a baja velocidad, y luego cambian a la estimación sin sensores tan pronto como el motor gira lo suficientemente rápido. Esto permite una aceleración suave y un control preciso a alta velocidad. Este es el funcionamiento habitual de un controlador VESC en un motor de patinete, configurado durante la detección del motor.
Preguntas frecuentes
¿Es posible añadir un encoder a un motor de patinete?
Es difícil en un motor de buje: el eje es fijo y es la llanta la que gira, lo que complica la instalación de un codificador clásico. Los sensores Hall, combinados con la estimación sin sensores durante la conducción, ya ofrecen resultados muy buenos.
¿Por qué mi motor arranca mal sin los sensores Hall?
Dado que el motor, cuando está detenido, no produce voltaje, el controlador no puede calcular su posición. Debe hacerlo girar un poco "a ciegas" para determinarla, lo que resulta en un arranque vacilante bajo carga.
¿Es posible que un sensor Hall se descalibre?
Puede deteriorarse con el calor o la humedad, o desplazarse si su adhesivo falla. Un sensor que se desajusta en el momento incorrecto puede provocar un motor ruidoso, menos eficiente y que se sobrecalienta.