Upravljanje bez senzora: kako promatrač pogađa položaj motora

Mnogi kontroleri znaju upravljati motorom bez ikakvih senzora položaja: govorimo o upravljanju bez senzora ili „sensorless”. Kontroler tada kontinuirano izračunava gdje se nalazi rotor, na temelju onoga što već mjeri. Taj se izračun naziva promatrač. Ovaj vodič objašnjava njegov princip, prednosti i ograničenja.

Princip: slušanje dinama

Motor s magnetima koji se okreće je generator: proizvodi napon, protuelektromotornu silu, proporcionalnu svojoj brzini i orijentiranu prema položaju magneta. Ako znamo taj napon, znamo kut rotora.

Kontroler ga ne može izravno izmjeriti jer sam napaja motor. Ali zna napon koji primjenjuje i mjeri struju. Primijenjeni napon dijeli se na tri dijela:

• pad u otporu namota, proporcionalan struji;
• dio koji apsorbira induktivitet, proporcionalan promjenama struje;
• protuelektromotorna sila, ona koju tražimo.

Uklanjanjem prva dva iz primijenjenog napona, ostaje treći. To je sav posao promatrača.

Promatrač toka

Uobičajena metoda razmišlja o magnetskom toku, a ne o naponu. Integriranjem primijenjenog napona kroz vrijeme, minus pad u otporu, dobivamo ukupni tok koji vide namoti. Uklanjanjem dijela zbog struje (induktivitet pomnožen sa strujom), ostaje tok magneta, čiji smjer daje kut rotora.

Integracija ima manu: najmanja pogreška se akumulira i uzrokuje odstupanje rezultata. Moderni promatrači to stalno ispravljaju namećući da amplituda procijenjenog toka ostane jednaka poznatom toku magneta. Zato detekcija motora mjeri taj tok.

Drugi stupanj, često petlja za praćenje faze (PLL), zaglađuje dobiveni kut i iz njega izvodi brzinu.

Ono što ga zavarava

• Otpor koji se mijenja s toplinom: vrući bakar pruža veći otpor. Loše poznat otpor iskrivljuje procjenu, osobito pri malim brzinama gdje je protuelektromotorna sila slaba. Pogledajte naš vodič o zagrijavanju motora.
• Loše izmjeren induktivitet: pogreška raste sa strujom i brzinom promjene struje.
• Magneti koji slabe kada se zagriju: stvarni tok odstupa od poznatog toka.
• Nesavršena mjerenja: pomak senzora struje, stvarno primijenjeni napon različit od zadane vrijednosti zbog mrtvog vremena.

Ograničenje zaustavljanja

Pri zaustavljanju, motor ne proizvodi nikakav napon: promatrač nema što promatrati. Pri vrlo malim brzinama signal je toliko slab da prevladavaju pogreške. Zato motor bez senzora može oklijevati ili drhtati pri pokretanju pod opterećenjem, dok se savršeno okreće jednom kada se pokrene.

Postoje tri rješenja:

• pokretanje u otvorenoj petlji: kontroler vrti polje naslijepo dok motor ne postigne brzinu pri kojoj promatrač preuzima;
• injekcija visoke frekvencije: kontroler dodaje mali brzi signal i promatra kako se induktivitet motora mijenja s kutom. Ovo radi pri zaustavljanju, osobito na motorima s izraženom istaknutošću kao što su motori s unutarnjim magnetima;
• Hall senzori pri pokretanju, zatim prelazak na promatrača tijekom vožnje: to je najčešće rješenje na romobilima. Pogledajte naš vodič o senzorima položaja.

Zašto je rad bez senzora toliko cijenjen

• Nema senzora za smještanje, ožičenje, zaštitu od vode i topline.
• Procjena je često preciznija od Hall senzora čim se motor počne okretati.
• Sigurnosno rješenje kada senzor zakaže tijekom vožnje.