Czujniki Halla, enkoder, resolver, czy system bez czujników: jak kontroler wie, w jakim położeniu znajduje się silnik?
Silnik z magnesami będzie działał prawidłowo tylko wtedy, gdy kontroler dostarcza prąd we właściwe miejsce, czyli w zależności od dokładnej pozycji wirnika. Istnieją cztery główne metody określania tej pozycji. Każda z nich ma inną cenę, inną dokładność i reaguje inaczej na zatrzymanie, na wysoką prędkość, na działanie wody lub ciepła.
Najważniejsze
- Czujniki Halla: są proste i niedrogie, a dostarczają informacje o pozycji co 60 stopni obrotu, co jest wystarczające do płynnego uruchomienia.
- Enkoder: zapewnia precyzyjne i ciągłe odczyty pozycji, idealny do sterowania wektorowego przy każdej prędkości.
- Rozdzielacz: Bardzo odporny na wysokie temperatury i wibracje, idealny do zastosowań motoryzacyjnych.
- Bez czujników: położenie jest obliczane na podstawie napięć i prądów; idealne podczas jazdy, ale mniej precyzyjne podczas postoju.
Dlaczego pozycja jest tak ważna?
Moment obrotowy silnika z magnesami jest maksymalny, gdy pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenia jest przesunięte o 90 stopni elektrycznych w stosunku do pola magnetycznego magnesów. Nawet niewielka różnica w kącie powoduje utratę momentu obrotowego; większa różnica może powodować nieprawidłowe działanie silnika, a nawet jego hamowanie zamiast napędu. Nasz przewodnik na temat sterowania wektorowego (FOC) szczegółowo opisuje ten mechanizm.
Uwaga: Mówimy tutaj o stopniach elektrycznych. Silnik z wieloma parami biegunów wykonuje wiele obrotów elektrycznych na każdy obrót mechaniczny. W przypadku silnika w piaście hulajnogi, który ma dużą liczbę biegunów, nawet niewielki błąd mechaniczny przekłada się na duży błąd elektryczny.
Czujniki Halla
Trzy małe czujniki, umieszczone w stojanie, wykrywają przemieszczanie się magnesów wirnika. Każdy z nich przełącza się między dwoma stanami; razem tworzą one sześć sektorów o kącie 60 stopni, dzieląc każdy obrót elektryczny.
- Zalety: Bardzo przystępna cena, prosta instalacja (pięć przewodów), znana pozycja nawet w stanie nieruchomym, co zapewnia płynny start.
- Ograniczenia: niedokładność, wrażliwość na wilgoć, temperaturę oraz uszkodzenia przewodów.
To jest standardowe wyposażenie silników w hulajnogach i rowerach elektrycznych. W trybie sterowania wektorowego, kontroler interpoluje położenie między dwoma zmianami stanu, aby uzyskać ciągły kąt. Uszkodzony czujnik Hall może powodować objawy opisane w naszym przewodniku dotyczącym silnika, który "szarpie".
Enkodery
Enkoder precyzyjnie mierzy kąt obrotu rotora, często z tysiącami kroków na obrót. Dwa główne typy są powszechnie stosowane:
- enkodery magnetyczne: czujnik odczytuje położenie małego magnesu zamocowanego na końcu wału. Są one kompaktowe i niedrogie, a często zapewniają absolutną pozycję od momentu włączenia
- `enkodery inkrementalne`, optyczne lub magnetyczne: liczą impulsy i wymagają punktu odniesienia, aby określić pozycję absolutną.
Dzięki enkoderowi, sterowanie wektorowe jest precyzyjne od momentu zatrzymania do maksymalnej prędkości. Znajdują zastosowanie w silnikach motocyklowych, kartingowych, robotów oraz w maszynach wyścigowych. Wymagają starannego montażu: enkoder, który przesuwa się na wale, powoduje przesunięcie całego systemu sterowania.
Rozdzielacze
Rozdzielacz to mały, obrotowy transformator, który nie zawiera elektroniki wewnątrz silnika. Sterownik zasila go sygnałem zmiennym i odczytuje dwa sygnały zwrotne, na podstawie których określa kąt obrotu.
- **Zalety:** Bardzo odporny na wysokie temperatury, wibracje oraz zakłócenia elektryczne; posiada funkcję absolutnej pozycji.
- Ograniczenia: bardziej obszerny i droższy, wymaga dedykowanego układu odczytu w kontrolerze.
Jest to czujnik referencyjny dla samochodów elektrycznych, w których silniki nagrzewają się bardzo mocno i pracują z dużą prędkością.
Bez czujników
Kontroler może również oszacować położenie bez użycia żadnych czujników, na podstawie danych, które już mierzy: napięć, które generuje, oraz prądów, które płyną. Obliczenia, nazywane obserwatorem, pozwalają na odtworzenie napięcia generowanego przez silnik podczas obrotu, a na tej podstawie można wyznaczyć kąt.
- Zalety: brak czujników do montażu, podłączania i zabezpieczania; bardzo precyzyjne działanie przy średnich i wysokich prędkościach.
- Ograniczenia: przy postoju silnik nie generuje napięcia, więc urządzenie pomiarowe nie rejestruje żadnych wartości. Rozruch przy dużym obciążeniu może być mniej płynny.
Zaawansowane techniki, takie jak wstrzykiwanie sygnału o wysokiej częstotliwości, umożliwiają oszacowanie pozycji nawet w stanie nieruchomym, wykorzystując niewielkie różnice w indukcji silnika w zależności od kąta. Działają one tym lepiej, im silniej silnik wykazuje cechy saillance, jak na przykład silniki z magnesami wewnętrznymi.
Porównanie
| Hall | Enkodery | Rozdzielacz | Bez czujników | |
|---|---|---|---|---|
| Precyzja | Niski (60° kąt elektryczny) | Podniesiona | Podniesiona | Wychowana na dwóch kółkach |
| W stanie spoczynku | Tak | Tak | Tak | Trudne |
| Wytrzymałość | Średnia | Średnia do dobra | Doskonale | Nic się nie zepsuje |
| Koszt | Bardzo niski | Niski do średniego | Podniesiony | Nul |
| Typowe zastosowanie | Hulajnoga, rower | Motocykl, gokart, robot, tor | Samochód | Drony, wentylatory, pompy |
Najlepsze z dwóch światów
Wiele kontrolerów łączy te rozwiązania: wykorzystują czujniki Halla podczas startu i przy niskich prędkościach, a następnie przechodzą do metody bez czujników, gdy silnik osiąga wystarczająco wysoką prędkość. Dzięki temu uzyskuje się płynny start i precyzyjne sterowanie przy wysokich prędkościach. Jest to typowe działanie kontrolera VESC w silniku hulajnogi, skonfigurowane podczas detekcji silnika.
Często zadawane pytania
Czy można zamontować enkoder do silnika hulajnogi?
Montaż czujnika obrotów jest trudny w przypadku silników z bezpośrednim napędem na oś: oś jest nieruchoma, a obręcz się obraca, co utrudnia montaż tradycyjnego enkodera. Czujniki Halla, w połączeniu z algorytmami szacowania bez użycia czujników podczas jazdy, już teraz dają bardzo dobre rezultaty.
Dlaczego mój silnik uruchamia się nieprawidłowo bez czujników Halla?
Ponieważ, gdy silnik jest zatrzymany, nie generuje żadnego napięcia, kontroler nie może określić jego pozycji. Musi go lekko "rozruchać" w sposób nieprecyzyjny, aby ją znaleźć, co powoduje niepewne ruszanie pod obciążeniem.
Czy czujnik Halla może ulec uszkodzeniu lub zaburzeniu działania?
Czujnik może ulec uszkodzeniu pod wpływem ciepła lub wilgoci, lub może się przemieścić, jeśli jego klej odklei się. Uszkodzony czujnik, który aktywuje się w niewłaściwym momencie, powoduje głośną pracę silnika, zmniejsza jego efektywność i powoduje jego przegrzewanie.