Sensori Hall, encoder, resolver o sensorless: posizione del motore

Un motore a magneti gira bene solo se il controller invia la corrente nel punto giusto, ovvero in base alla posizione esatta del rotore. Esistono quattro modi principali per conoscere questa posizione. Non costano lo stesso prezzo, non hanno la stessa precisione e non reagiscono allo stesso modo da fermo, ad alta velocità, in presenza di acqua o calore.

Perché la posizione conta così tanto

La coppia di un motore a magneti è massima quando il campo creato dagli avvolgimenti è a 90° elettrici rispetto a quello dei magneti. Un errore di pochi gradi fa perdere un po' di coppia; un errore grossolano fa sussultare il motore, o addirittura lo fa frenare invece di spingere. La nostra guida sul controllo vettoriale descrive in dettaglio questo meccanismo.

Attenzione: qui si parla di gradi elettrici. Un motore con più coppie polari compie diversi giri elettrici per ogni giro meccanico. Su un motoriduttore o motore mozzo di un monopattino, che ha molti poli, un piccolo errore meccanico diventa un grande errore elettrico.

I sensori a effetto Hall

Tre piccoli sensori, posizionati nello statore, rilevano il passaggio dei magneti del rotore. Ciascuno commuta tra due stati; tutti e tre insieme suddividono ogni giro elettrico in sei settori di 60°.

• Vantaggi: molto economici, semplici da cablare (cinque fili), posizione nota anche da fermo, quindi partenza decisa.
• Limiti: precisione grossolana, sensibili all'umidità, al calore e a cavi danneggiati.

Questa è la dotazione standard dei motori per monopattini e biciclette. Nel controllo vettoriale, il controller interpola la posizione tra due cambi di stato per ottenere un angolo continuo. Un sensore Hall difettoso produce i sintomi descritti nella nostra guida sul motore che sussulta.

Gli encoder

Un encoder misura finemente l'angolo del rotore, spesso con migliaia di passi per giro. Ne esistono comunemente due famiglie:

• gli encoder magnetici: un chip legge l'orientamento di un piccolo magnete fissato all'estremità dell'albero. Compatti ed economici, spesso forniscono una posizione assoluta fin dall'accensione;
• gli encoder incrementali, ottici o magnetici: contano gli impulsi e necessitano di un riferimento per conoscere la posizione assoluta.

Con un encoder, il controllo vettoriale è preciso dall'arresto fino alla velocità massima. Si trovano sui motori di moto, kart, robot e su macchine da competizione. Richiedono un'installazione accurata: un encoder che slitta sull'albero sballa l'intero controllo.

I resolver

Un resolver è un piccolo trasformatore rotante, privo di elettronica all'interno del motore. Il controller lo alimenta con un segnale alternato e legge due segnali di ritorno, dai quali deduce l'angolo.

• Vantaggi: altissima robustezza contro calore, vibrazioni e disturbi elettrici; posizione assoluta.
• Limiti: più ingombrante e costoso, richiede un circuito di lettura dedicato all'interno del controller.

È il sensore di riferimento nelle automobili elettriche, dove i motori si scaldano molto e girano forte.

Senza sensore (Sensorless)

Il controller può anche stimare la posizione senza alcun sensore, basandosi su ciò che misura già: le tensioni applicate e le correnti circolanti. Un calcolo chiamato osservatore ricostruisce la tensione prodotta dal motore in rotazione e ne deduce l'angolo.

• Vantaggi: nessun sensore da alloggiare, cablare o proteggere; altissima precisione a medie e alte velocità.
• Limiti: da fermo il motore non produce alcuna tensione, quindi l'osservatore non ha nulla da misurare. La partenza sotto alto carico è meno decisa.

Tecniche avanzate, come l'iniezione di un segnale ad alta frequenza, permettono di stimare la posizione anche da fermo, sfruttando le piccole differenze di induttanza del motore in base all'angolo. Funzionano tanto meglio quanto più il motore ha una spiccata salienza, come i motori a magneti interni.

Il confronto

Il meglio dei due mondi

Molti controller combinano le soluzioni: utilizzano i sensori Hall all'avviamento e a basse velocità, per poi passare alla stima senza sensore non appena il motore gira abbastanza velocemente. Si ottiene così una partenza decisa e un controllo preciso ad alta velocità. Questo è il funzionamento tipico di un controller VESC su un motore per monopattino, configurato durante la rilevazione del motore.