Hálózati érzékelők, kódolók, resolverek vagy szenzor nélküli megoldások: hogyan tudja a vezérlő, hogy hol van a motor?
Egy mágneses motor csak akkor működik megfelelően, ha a vezérlő a megfelelő helyre juttatja a villamos energiát, azaz a forgórész pontos helyzetének megfelelően. Négy fő módszer létezik ennek a helyzetnek a meghatározására. Ezek eltérő áron vannak, eltérő pontosságot kínálnak, és különbözőképpen reagálnak a leállításra, a nagy sebességre, a víznek vagy a hőnek.
A lényeg
- Hall-érzékelők: egyszerűek és olcsók, a forgási pozíciót 60°-os lépésekben adják meg, ami elegendő a gyors induláshoz.
- Kódoló: pontos és folyamatos helyzetmérés, ideális a vektoros vezérléshez minden sebességnél.
- Forgó jeladó: Nagyon strapabíró a hővel és a vibrációval szemben, ezért alkalmas autóalkalmazásokhoz.
- Szenzor nélküli rendszer: a pozíció a feszültségek és áramok alapján kerül kiszámításra; ideális mozgás közben, de álló helyzetben kevésbé pontos.
Miért olyan fontos a helyzet?
Egy mágneses motor nyomatéka akkor éri el a maximumot, amikor a tekercsek által generált mágneses tér 90 fokkal el van tolva a mágnesek mágneses terétől. Néhány foknyi eltérés kisebb teljesítményvesztéssel jár; nagyobb eltérés pedig vibrációt okozhat a motornak, vagy akár úgy működik, mintha fékezne ahelyett, hogy előre mozdulna. A vektoros vezérlésről szóló részletes útmutatónk bemutatja ezt a működési elvet.
Figyelem: itt az elektromos fokokról beszélünk. Egy több pólusú motor több elektromos fordulatot végez egy mechanikai fordulat alatt. Egy robogó motorjánál, amely sok pólussal rendelkezik, egy kis mechanikai hiba jelentős elektromos hibát okozhat.
A Hall-hatású szenzorok
Három kis szenzor, amelyek a statornak vannak elhelyezve, érzékelik a rotor mágneseinek mozgását. Mindegyik szenzor két állapot között vált, és mindhárom együtt minden elektromos fordulatot hat 60 fokos szektorra bont.
- Előnyök: Nagyon kedvező ár, egyszerű bekötés (öt vezeték), ismert pozíció még álló állapotban is, így a start is gördülékeny.
- Korlátozások: pontosság alacsony, érzékeny a nedvességre, a hőre és a sérült vezetékekre.
Ez a robogó- és kerékpármotorok alapvető berendezése. Vektormódban a vezérlő a két állapotváltozás közötti pozíciót interpolálja, hogy egy folyamatos szöget kapjon. Egy hibás Hall-érzékelő a következő tüneteket okozza, amelyek leírása megtalálható a "motor, amely rángat" című útmutatónkban.
A kódolók
Egy kódoló precízen méri a forgórész szögeit, gyakran több ezer lépéssel egy fordulat alatt. Két fő család létezik:
- A mágneses kódolók: Egy chip olvas egy kis mágnes pozícióját, amely a tengely végére van rögzítve. Ezek a készülékek kompaktak és olcsók, gyakran azonnal, bekapcsolás után is megadják a tökéletes pozíciót;
- Az inkrementális kódolók, akár optikai, akár mágneses elven működnek: impulzusokat számolnak, és egy referencia pontra van szükségük ahhoz, hogy a pontos pozíciót meghatározhassák.
A kódolóval a vektoros vezérlés pontosan működik a teljes sebességtartományban, a megállástól a maximális sebességig. Ezeket a kódolókat motorkerékpárok, go-kartok, robotok és versenygépek motorjaiban találjuk. A pontos működéshez gondos beszerelés szükséges: ha a kódoló elcsúszik a tengelyen, az befolyásolja a teljes vezérlést.
A forgórész-jeladókról
Egy forgó jeladó egy kis, forgó transzformátor, amely nem tartalmaz elektronikai alkatrészeket a motorban. A vezérlő váltakozó árammal táplálja, és két visszajelzési jelet olvas le, amelyek alapján a forgásszöget határozza meg.
- Előnyök: Nagyon ellenálló a hőnek, a vibrációnak és az elektromos interferenciáknak; abszolút pozicionálás.
- Korlátok: Nagyobb méretű és drágább, emellett dedikált olvasóáramkört igényel a vezérlőben.
Ez a referenciaérzékelő az elektromos autók számára, ahol a motorok erősen melegednek és nagy fordulatszámmal működnek.
Érzékelő nélküli
A vezérlő képes a pozíció meghatározására anélkül, hogy bármilyen érzékelőre lenne szükség, a már mért adatok alapján: a vezérlő által alkalmazott feszültségek és a bennük áramló áramok. Egy ún. observátor nevű számítás segítségével a vezérlő rekonstruálja a motor forgása által generált feszültséget, és ebből következteti ki a szöget.
- Előnyök: Nincs szükség szenzorok elhelyezésére, bekötésére vagy védelmére; nagyon pontos közepes és magas sebességnél.
- Korlátok: Állapotban a motor nem ad le feszültséget, ezért a mérőműszernek nincs mit mérnie. A nagy terhelés alatti indítás kevésbé gördülékeny.
Haladó technikák, mint például egy nagy frekvenciájú jel bevezetése, lehetővé teszik a pozíció meghatározását még álló állapotban is, kihasználva a motor induktanciájának apró különbségeit a forgási szög függvényében. Ezek a technikák annál jobban működnek, minél nagyobb a motor "saillance" (azaz a mágneses mező nem egyenletes eloszlása), mint például a belső mágneses motorok esetében.
A összehasonlítás
| Hall szenzor | Kódoló | Forgó megoldó | Érzékelő nélküli | |
|---|---|---|---|---|
| Pontosság | Alacsony (60 fokos elektromos szög) | Élevée | Élevée | A tanulás mozgás közben |
| Leállítva | Igen | Igen | Igen | Nehéz |
| Tartósság | Átlag | Átlagos vagy jó | Kiváló | Semmi sem mehet tönkre |
| Ár | Nagyon alacsony | Alacsony vagy közepes | Élevé | Nincs szöveg |
| Tipikus felhasználás | Elektromos robogó, kerékpár | Motorkerékpár, kart, robot, pálya | Autó | Drónok, ventilátorok, szivattyúk |
A két világ legjobbja
Sok vezérlő ötvözi ezeket a megoldásokat: a Hall-érzékelőket használja az indításkor és alacsony sebességnél, majd átvált a szenzor nélküli mérésre, amint a motor elég gyorsan forog. Ez biztosítja a gyors indulást és a pontos vezérlést magas sebességnél. Ez a tipikus működési módja egy VESC vezérlőnek egy robogó motorján, amelyet a motor beállításakor állítanak be.
Gyakori kérdések
Lehetséges-e kódert csatlakoztatni egy robogómotorhoz?
A központi motoroknál ez nehéz, mivel a tengely rögzített, és a külső kerékforgás okozza a mozgást, ami megnehezíti a hagyományos kódolók felszerelését. A Hall-érzékelők, melyek a mozgás közbeni, szenzor nélküli becsléssel kombinálva működnek, már most is nagyon jó eredményeket adnak.
Miért indul rosszul a motorom, ha nincs benne Hall-érzékelő?
Mivel a motor álló állapotban nem termel feszültséget, a vezérlő nem tudja megállapítani a pozícióját. A vezérlőnek ezért egy kicsit "vakon" kell elindítani a motort, hogy megtalálja a helyes pozíciót, ami egy terhelés alatt ingadozó indulást eredményez.
Lehet-e, hogy egy Hall-érzékelő meghibásodik?
A szenzor idővel romolhat a hő vagy a nedvesség hatására, vagy elmozdulhat, ha a ragasztója elenged. Egy olyan szenzor, amely a nem megfelelő időpontban kapcsol be, zajos, kevésbé hatékony motort eredményez, és a motor túlmelegedhet.