Sensorloze besturing: hoe een algoritme de positie van de motor bepaalt

Veel controllers kunnen een motor aansturen zonder gebruik te maken van positie sensoren: we spreken dan van een "sensorless" of "zonder sensor" besturing. De controller berekent dan continu de positie van de rotor, op basis van de metingen die hij al verzamelt. Deze berekening wordt een "observator" genoemd. Deze handleiding legt het principe, de voordelen en de beperkingen ervan uit.

Het principe: luister naar de dynamo

Een roterende elektromotor met permanente magneten fungeert als een generator: hij produceert een spanning, de tegengestelde elektromotorische kracht, die evenredig is met zijn snelheid en gericht is volgens de positie van de magneten. Als men deze spanning kent, dan kent men de hoek van de rotor.

De controller kan dit niet direct meten, aangezien hij zelf de motor van stroom voorziet. Maar hij kent de spanning die hij toepast en meet de stroom. De toegepaste spanning wordt verdeeld over drie delen:

• de afname in weerstand van de spoelen, evenredig met de stroom;
• het deel dat wordt opgenomen door de inductie, en dat evenredig is met de veranderingen in de stroom;
• de de tegengestelde elektromotorische kracht, diegene die men probeert te bereiken.

Door de eerste twee waarden van de aangelegde spanning af te trekken, blijft de derde waarde over. Dat is het hele werk van de gebruiker.

De stroommeter

Een veelgebruikte methode berekent de magnetische flux in plaats van de spanning. Door de toegepaste spanning in de tijd te integreren, minus de spanningsval in de weerstand, verkrijgt men de totale flux die de spoelen zien. Door het deel dat toe te schrijven is aan de stroom (de inductantie vermenigvuldigd met de stroom) af te trekken, blijft de flux van de magneten over, waarvan de richting de hoek van de rotor aangeeft.

De integratie heeft een nadeel: de kleinste fouten stapelen zich op en leiden tot afwijkingen in het resultaat. Moderne systemen corrigeren dit voortdurend door ervoor te zorgen dat de amplitude van de geschatte stroom gelijk blijft aan de bekende stroom van de magneten. Daarom meet de motortest deze stroom.

Een tweede verwerkingsstap, vaak een fasedetectie lus (PLL), verfijnt de berekende hoek en bepaalt hieruit de snelheid.

Wat hem misleidt

• De weerstand die verandert met de temperatuur: koper geleidt minder goed wanneer het warmer wordt. Een onbekende weerstand kan de berekening verstoren, vooral bij lage snelheid, waar de tegen-elektromotorische kracht zwak is. Zie onze handleiding over verwarming van de elektromotor.
• `Een verkeerd gemeten inductantie: De fout neemt toe met de stroom en de snelheid waarmee de stroom verandert.`
• `De magneten verliezen hun kracht wanneer ze warm worden: de werkelijke flux wijkt af van de bekende flux.`
• `Onnauwkeurige metingen:` afwijking van de stroomsensoren, de werkelijke aangelegde spanning wijkt af van de ingestelde waarde door de responstijd.

De limiet van de remweg

Bij stilstand produceert de motor geen spanning: er is niets te observeren. Bij zeer lage snelheid is het signaal zo zwak dat de fouten overheersen. Daarom kan een motor zonder sensoren aarzelen of trillen bij het starten onder belasting, terwijl hij perfect draait zodra hij eenmaal op gang is.

Er zijn drie mogelijke oplossingen:

• Starten in open lus (open loop): De controller laat het magnetisch veld draaien zonder feedback, totdat de motor een snelheid bereikt waarop de gebruiker de controle overneemt;
• Hoge-frequentie injectie: De controller voegt een klein, snel signaal toe en observeert hoe de inductie van de motor varieert met de hoek. Dit werkt vooral bij stilstand, met name bij motoren met een duidelijke "saillance", zoals motoren met interne magneten;
• De Hallsensoren worden gebruikt bij het starten, waarna er overgeschakeld wordt naar de observer tijdens het rijden: dit is de meest gebruikelijke oplossing bij elektrische scooters. Zie onze handleiding over positiesensoren.

Waarom is de sensorloze technologie zo populair?

• Er zijn geen sensoren die geïnstalleerd, aangesloten of beschermd hoeven te worden tegen water en hitte.
• Een schatting die vaak nauwkeuriger is dan die van Hallsensoren, zodra de motor begint te draaien.
• Een noodoplossing voor het geval een sensor defect raakt tijdens het rijden.