Hall-sensoren, encoders, resolvers of sensorloos: hoe weet de controller waar de motor zich bevindt?

Een elektromotor met permanente magneten werkt optimaal wanneer de controller de stroom op de juiste plek levert, dat wil zeggen, afhankelijk van de exacte positie van de rotor. Er zijn vier hoofdmethoden om deze positie te bepalen. Deze methoden verschillen in prijs, nauwkeurigheid en reactievermogen op omstandigheden zoals stilstand, hoge snelheid, water of hitte.

Waarom is de positie zo belangrijk?

Het koppel van een elektromotor met permanente magneten is maximaal wanneer het magnetische veld dat wordt opgewekt door de spoelen 90 graden elektrisch verschoven is ten opzichte van het veld van de magneten. Een afwijking van enkele graden vermindert het koppel; een grotere afwijking kan ervoor zorgen dat de motor schokkerig loopt, of zelfs dat deze remt in plaats van aandrijving te geven. Onze handleiding over vectorbesturing (FOC) beschrijft dit mechanisme in detail.

Let op: hierbij gaat het om graden elektrisch. Een motor met meerdere poolparen maakt meerdere elektrische omwentelingen per mechanische omwenteling. Bij een motor in een scooterwiel, die veel polen heeft, kan een kleine mechanische fout een grote elektrische fout veroorzaken.

Hall-sensoren

Drie kleine sensoren, geplaatst in de stator, detecteren het voorbijgaan van de magneten in de rotor. Elke sensor schakelt tussen twee toestanden; samen bepalen ze elk elektrisch toerental in zes sectoren van 60 graden.

• `Voordelen: zeer betaalbaar, eenvoudig aan te sluiten (vijf draden), positie bekend, zelfs wanneer stilstaand, waardoor een soepele start mogelijk is.`
• `Beperkingen: grove nauwkeurigheid, gevoelig voor vocht, warmte en beschadigde draden.`

Dit is de standaarduitrusting van motoren voor scooters en fietsen. In vectormodus schat de controller de positie tussen twee toestandsveranderingen om een continue hoek te verkrijgen. Een defecte Hallsensor geeft de symptomen weer die beschreven staan in onze handleiding over motoren die haperen.

De encoders

Een encoder meet de hoek van de rotor met hoge precisie, vaak met duizenden stappen per omwenteling. Er zijn twee gangbare families:

• Magnetische encoders : Een chip leest de positie van een kleine magneet die aan het uiteinde van de as is bevestigd. Ze zijn compact en goedkoop, en geven vaak een absolute positie zodra ze worden ingeschakeld;
• `de incrementele encoders`, optisch of magnetisch: ze tellen pulsen en hebben een referentie nodig om de absolute positie te bepalen.

Met een encoder is de vectorbesturing nauwkeurig, van stilstand tot de maximale snelheid. Ze worden gebruikt in motoren voor motorfietsen, karts, robots en in wedstrijdmachines. Ze vereisen een zorgvuldige montage: een encoder die verschuift op de as, verstoort de hele besturing.

De resolvers

Een resolver is een kleine, roterende transformator, zonder elektronica in de motor. De controller levert een wisselstroomsignaal en leest twee terugkoppelingssignalen, waarmee hij de hoek bepaalt.

• Voordelen: Zeer robuust tegen hitte, trillingen en elektrische storingen; absolute positionering.
• `Beperkingen:` groter en duurder, vereist een speciale leesmodule in de controller.

Dit is de referentiesensor voor elektrische auto's, waar de motoren sterk heet worden en hoge toerentallen bereiken.

Zonder sensor

De controller kan ook de positie schatten zonder enige sensor, op basis van wat hij al meet: de spanningen die hij aanlegt en de stromen die er lopen. Een berekening, genaamd observator, reconstrueert de spanning die wordt opgewekt door de motor tijdens het draaien, en leidt hieruit de hoek af.

• `Voordelen: geen sensoren die gemonteerd, aangesloten of beschermd moeten worden; zeer nauwkeurig bij gemiddelde en hoge snelheden.`
• Beperkingen: Wanneer het voertuig stilstaat, produceert de motor geen spanning, dus de gebruiker heeft niets te meten. Het opstarten onder zware belasting verloopt minder soepel.

Geavanceerde technieken, zoals het injecteren van een hoogfrequent signaal, maken het mogelijk om de positie te bepalen, zelfs wanneer het voertuig stilstaat, door gebruik te maken van de kleine verschillen in de inductie van de motor, afhankelijk van de hoek. Deze technieken werken vooral goed wanneer de motor een duidelijke "saillance" heeft, zoals bij motoren met interne magneten.

De vergelijking

De beste combinatie van twee werelden

Veel controllers combineren deze oplossingen: ze gebruiken Hallsensoren bij het opstarten en bij lage snelheid, en schakelen vervolgens over naar sensorbepaling zodra de motor voldoende snelheid heeft bereikt. Dit resulteert in een soepele start en een precieze besturing bij hoge snelheid. Dit is de gebruikelijke werking van een VESC-controller op een scooter-motor, en wordt ingesteld tijdens de motortest.