Control sin sensores: cómo un algoritmo determina la posición del motor
Muchos controladores pueden manejar un motor sin ningún sensor de posición: hablamos de control sin sensor, o "sensorless". El controlador calcula constantemente la posición del rotor, basándose en lo que ya mide. Este cálculo se llama un observador. Esta guía explica su principio, sus ventajas y sus limitaciones.
Lo esencial
- Al girar, un motor de imanes produce una tensión cuya dirección indica la posición del rotor.
- El observador puede determinar esta tensión a partir de la tensión aplicada y la corriente medida, restando la energía consumida por la resistencia y la inductancia de los bobinados.
- Necesita obtener valores precisos de resistencia, inductancia y flujo del motor: esto es lo que proporciona la detección.
- A velocidad muy baja o cuando el vehículo está detenido, prácticamente no hay datos que medir: esta es una de las principales limitaciones de los sistemas sin sensor.
El principio: escuchar el dinamo
Un motor de imanes en rotación funciona como un generador: produce un voltaje, la fuerza electromotriz inversa, que es proporcional a su velocidad y está orientado según la posición de los imanes. Si se conoce este voltaje, se conoce el ángulo del rotor.
El controlador no puede medirla directamente, ya que él mismo alimenta el motor. Sin embargo, conoce el voltaje que aplica y mide la corriente. El voltaje aplicado se distribuye en tres partes:
- la caída en la resistencia de los devanados, proporcional a la corriente;
- la parte absorbida por la inductancia, que es proporcional a las variaciones de la corriente;
- la fuerza contraelectromotriz, la que se busca.
Al eliminar las dos primeras de la tensión aplicada, queda la tercera. Ese es el trabajo del observador.
El monitor de flujo
Un método común se basa en el flujo magnético en lugar de en el voltaje. Al integrar en el tiempo el voltaje aplicado, menos la caída en la resistencia, se obtiene el flujo total que perciben los devanados. Al restar la parte debida a la corriente (la inductancia multiplicada por la corriente), queda el flujo de los imanes, cuya dirección indica el ángulo del rotor.
La integración tiene una desventaja: el más mínimo error se acumula y afecta el resultado. Los sistemas modernos corrigen esto constantemente, exigiendo que la amplitud del flujo estimado se mantenga igual al flujo conocido de los imanes. Por eso, la detección del motor mide este flujo.
Una segunda etapa, que a menudo es un circuito de seguimiento de fase (PLL), suaviza el ángulo obtenido y a partir de él, deduce la velocidad.
Lo que lo engaña
- La resistencia que varía con la temperatura: el cobre caliente ofrece mayor resistencia. Una resistencia mal conocida puede alterar la estimación, especialmente a baja velocidad, donde la fuerza contraelectromotriz es débil. Consulte nuestra guía sobre el calentamiento del motor.
- Una inductancia mal medida: el error aumenta con la corriente y la velocidad de variación de la corriente.
- Los imanes pierden fuerza cuando se calientan: el flujo real se desvía del flujo conocido.
- Mediciones imperfectas: Desalineación de los sensores de corriente, tensión realmente aplicada diferente al valor deseado debido al tiempo de respuesta.
El límite de parada
Cuando el motor está detenido, no produce voltaje: el observador no tiene nada que observar. A velocidades muy bajas, la señal es tan débil que los errores son predominantes. Es por eso que un motor sin sensor puede dudar o vibrar al arrancar bajo carga, mientras que funciona perfectamente una vez que está en marcha.
Existen tres soluciones:
- El arranque en circuito abierto: el controlador hace girar el motor a ciegas hasta que alcanza una velocidad en la que el observador toma el control;
- Inyección de alta frecuencia: El controlador añade una pequeña señal rápida y observa cómo la inductancia del motor varía con el ángulo. Esto funciona especialmente cuando el vehículo está parado, sobre todo en motores con una marcada saliencia, como los motores de imanes interiores;
- Los sensores Hall al arrancar, y luego la transición al modo de observador mientras se está en movimiento: esta es la solución más común en los patinetes eléctricos. Consulte nuestra guía sobre los sensores de posición.
¿Por qué la tecnología "sin sensor" es tan valorada?
- No hay sensores que instalar, conectar, ni proteger del agua y del calor.
- Una estimación que suele ser más precisa que la proporcionada por los sensores Hall, especialmente cuando el motor está en funcionamiento.
- Una solución de respaldo para cuando un sensor falla mientras se está en movimiento.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el firmware VESC ofrece múltiples sensores?
Dado que ninguno es perfecto en todos los aspectos. Algunos son más resistentes a los errores de configuración, otros se adaptan mejor a los cambios rápidos o funcionan a velocidades más bajas. La elección depende del motor y del uso que se le vaya a dar, y se verifica el resultado probándolo en la práctica.
¿Puede un motor que se detecta correctamente funcionar mal sin sensor después de un esfuerzo prolongado?
Sí: al calentarse, la resistencia de los bobinados aumenta y los imanes se debilitan ligeramente. La diferencia con los valores medidos en frío puede afectar la precisión de la estimación a baja velocidad. Algunos controladores compensan la resistencia en función de la temperatura del motor.
¿Es adecuado un sistema sin sensores para una patineta eléctrica?
Al conducir, funciona muy bien. Sin embargo, al arrancar desde parado, especialmente en pendientes o con un conductor de peso considerable, los sensores Hall siguen siendo muy útiles. La combinación de ambos es la mejor opción.