Controllo sensorless: come un osservatore indovina la posizione del motore

Molti controller sanno pilotare un motore senza alcun sensore di posizione: si parla di controllo sensorless, o senza sensori. Il controller calcola quindi continuamente la posizione del rotore, a partire da ciò che misura già. Questo calcolo si chiama osservatore. Questa guida spiega il suo principio, i suoi punti di forza e i suoi limiti.

Il principio: ascoltare la dinamo

Un motore a magneti che gira è un generatore: produce una tensione, la forza contro-elettromotrice, proporzionale alla sua velocità e orientata secondo la posizione dei magneti. Se si conosce questa tensione, si conosce l'angolo del rotore.

Il controller non può misurarla direttamente, poiché alimenta esso stesso il motore. Ma conosce la tensione che applica e misura la corrente. La tensione applicata si ripartisce in tre parti:

• la caduta nella resistenza degli avvolgimenti, proporzionale alla corrente;
• la parte assorbita dall'induttanza, proporzionale alle variazioni della corrente;
• la forza contro-elettromotrice, quella che si sta cercando.

Sottraendo le prime due dalla tensione applicata, rimane la terza. Questo è tutto il lavoro dell'osservatore.

L'osservatore di flusso

Un metodo diffuso ragiona sul flusso magnetico anziché sulla tensione. Integrando nel tempo la tensione applicata, meno la caduta nella resistenza, si ottiene il flusso totale visto dagli avvolgimenti. Sottraendo la parte dovuta alla corrente (l'induttanza moltiplicata per la corrente), rimane il flusso dei magneti, la cui direzione fornisce l'angolo del rotore.

L'integrazione ha un difetto: il minimo errore si accumula e fa derivare il risultato. Gli osservatori moderni la corrono continuamente imponendo che l'ampiezza del flusso stimato rimanga uguale al flusso noto dei magneti. È per questo che la rilevazione del motore misura questo flusso.

Un secondo stadio, spesso un anello ad aggancio di fase (PLL), livella l'angolo ottenuto e ne deduce la velocità.

Ciò che lo inganna

• La resistenza che cambia con il calore: il rame caldo resiste di più. Una resistenza mal conosciuta falsifica la stima, soprattutto a bassa velocità dove la forza contro-elettromotrice è debole. Vedi la nostra guida sul surriscaldamento del motore.
• Un'induttanza mal misurata: l'errore cresce con la corrente e la velocità di variazione della corrente.
• I magneti che si indeboliscono quando si scaldano: il flusso reale si discosta dal flusso noto.
• Le misurazioni imperfette: sfasamento dei sensori di corrente, tensione realmente applicata diversa dal valore di riferimento a causa del tempo morto.

Il limite dell'arresto

Da fermo, il motore non produce alcuna tensione: l'osservatore non ha nulla da osservare. A bassissima velocità, il segnale è così debole che gli errori predominano. Ecco perché un motore sensorless può esitare o tremare allo spunto sotto carico, mentre gira perfettamente una volta lanciato.

Esistono tre soluzioni:

• l'avviamento ad anello aperto: il controller fa girare il campo alla cieca finché il motore raggiunge una velocità in cui l'osservatore prende il sopravvento;
• l'iniezione ad alta frequenza: il controller aggiunge un piccolo segnale rapido e osserva come l'induttanza del motore varia con l'angolo. Questo funziona da fermo, soprattutto sui motori a salienza marcata come i motori a magneti interni;
• i sensori Hall all'avviamento, poi il passaggio all'osservatore durante la marcia: è la soluzione più comune sui monopattini. Vedi la nostra guida sui sensori di posizione.

Perché il sensorless è così apprezzato

• Nessun sensore da alloggiare, cablare, proteggere dall'acqua e dal calore.
• Una stima spesso più fine rispetto ai sensori Hall non appena il motore gira.
• Una soluzione di emergenza quando un sensore si guasta durante la marcia.