Hall senzori, enkoderi, resolveri ili bez senzora: kako kontroler zna gdje je motor

Motor s magnetima radi dobro samo ako kontroler šalje struju na pravo mjesto, odnosno ovisno o točnom položaju rotora. Postoje četiri glavna načina za određivanje tog položaja. Oni se razlikuju po cijeni, preciznosti i reakciji pri pokretanju, velikim brzinama, u vodi ili na vrućini.

Zašto je položaj toliko važan

Okretni moment motora s magnetima je maksimalan kada je polje stvoreno namotajima pod kutom od 90° električnih u odnosu na polje magneta. Pogreška od nekoliko stupnjeva uzrokuje gubitak dijela momenta; velika pogreška uzrokuje trzanje motora ili čak kočenje umjesto ubrzavanja. Naš vodič o vektorskom upravljanju detaljno opisuje ovaj mehanizam.

Pozor: ovdje govorimo o električnim stupnjevima. Motor s više pari polova čini nekoliko električnih okretaja po mehaničkom okretaju. Na hub motoru romobila, koji ima mnogo polova, mala mehanička pogreška postaje velika električna pogreška.

Hall senzori

Tri mala senzora, smještena u statoru, detektiraju prolazak magneta rotora. Svaki se prebacuje između dva stanja; njih troje dijeli svaki električni okretaj na šest sektora od 60°.

• Prednosti: vrlo jeftini, jednostavni za spajanje (pet žica), položaj poznat čak i pri zaustavljanju, stoga snažan start.
• Ograničenja: gruba preciznost, osjetljivi na vlagu, toplinu i oštećene žice.

To je standardna oprema za motore romobila i bicikala. Kod vektorskog upravljanja, kontroler interpolira položaj između dvije promjene stanja kako bi dobio kontinuirani kut. Neispravan Hall senzor daje simptome opisane u našem vodiču o motoru koji trza.

Enkoderi

Enkoder mjeri kut rotora precizno, često s tisućama koraka po okretaju. Dvije su obitelji česte:

• magnetski enkoderi: čip očitava orijentaciju malog magneta pričvršćenog na kraj osovine. Kompaktni i jeftini, često daju apsolutni položaj čim se uključi napajanje;
• inkrementalni enkoderi, optički ili magnetski: broje impulse i trebaju referencu za poznavanje apsolutnog položaja.

S enkoderom je vektorsko upravljanje precizno od zaustavljanja do maksimalne brzine. Nalazimo ih na motorima motocikala, kartinga, robota i na natjecateljskim strojevima. Zahtijevaju pažljivu montažu: enkoder koji proklizava na osovini pomiče cijelo upravljanje.

Resolveri

Resolver je mali rotirajući transformator, bez elektronike u motoru. Kontroler ga napaja izmjeničnim signalom i čita dva povratna signala iz kojih izvodi kut.

• Prednosti: vrlo otporan na toplinu, vibracije i električne smetnje; apsolutni položaj.
• Ograničenja: glomazniji i skuplji, zahtijeva namjenski krug za čitanje u kontroleru.

To je referentni senzor za električne automobile, gdje se motori jako zagrijavaju i brzo vrte.

Bez senzora (sensorless)

Kontroler također može procijeniti položaj bez ikakvih senzora, na temelju onoga što već mjeri: napona koje primjenjuje i struja koje teku. Izračun koji se naziva promatrač (observer) rekonstruira napon koji motor proizvodi dok se vrti i iz njega izvodi kut.

• Prednosti: nema senzora za smještanje, spajanje ili zaštitu; vrlo precizno pri srednjim i visokim brzinama.
• Ograničenja: pri zaustavljanju motor ne proizvodi nikakav napon, pa promatrač nema što mjeriti. Start pod velikim opterećenjem je manje snažan.

Napredne tehnike, poput ubrizgavanja visokofrekventnog signala, omogućuju procjenu položaja čak i pri zaustavljanju, iskorištavanjem malih razlika u induktivitetu motora ovisno o kutu. One rade utoliko bolje što motor ima izraženiju istaknutost polova, poput motora s unutarnjim magnetima.

Usporedba

Najbolje od oba svijeta

Mnogi kontroleri kombiniraju rješenja: koriste Hall senzore pri pokretanju i malim brzinama, a zatim prelaze na procjenu bez senzora čim se motor vrti dovoljno brzo. Dobiva se snažan start i precizno upravljanje pri velikim brzinama. To je uobičajen rad VESC kontrolera na motoru romobila, podešen tijekom detekcije motora.