Sensores Hall, codificador, resolver ou sistema sem sensores: como o controlador sabe a posição do motor

Um motor de ímãs funciona corretamente apenas se o controlador enviar a corrente para o local correto, ou seja, com base na posição exata do rotor. Existem quatro métodos principais para determinar essa posição. Eles não têm o mesmo custo, não oferecem a mesma precisão e não reagem da mesma forma em situações de parada, em altas velocidades, em contato com água ou com calor.

Por que a posição é tão importante?

O torque de um motor de ímãs é máximo quando o campo criado pelas bobinas está a 90° elétricos do campo dos ímãs. Um erro de alguns graus resulta em uma pequena perda de torque; um erro maior pode fazer com que o motor trepide, ou até mesmo que ele freie em vez de impulsionar. Nosso guia sobre controle vetorial (FOC) detalha esse mecanismo.

Atenção: estamos falando aqui de graus elétricos. Um motor com várias bobinas faz vários ciclos elétricos por ciclo mecânico. Em um motor de cubo de scooter, que tem muitas bobinas, um pequeno erro mecânico se traduz em um grande erro elétrico.

Os sensores de efeito Hall

Três pequenos sensores, localizados no estator, detectam a passagem dos ímãs do rotor. Cada sensor alterna entre dois estados; juntos, eles dividem cada rotação elétrica em seis setores de 60°.

• **Vantagens:** muito acessível, fácil de conectar (cinco fios), posição conhecida mesmo quando parado, o que garante uma partida suave.
• **Limitações:** Precisão limitada, sensíveis à umidade, ao calor e a fios danificados.

Este é o equipamento padrão dos motores de scooters e bicicletas elétricas. Em controle vetorial, o controlador interpola a posição entre duas mudanças de estado para obter um ângulo contínuo. Um sensor Hall defeituoso causa os sintomas descritos em nosso guia sobre motores que "bruxuleiam" ou "tremem".

Os codificadores

Um codificador mede o ângulo do rotor com precisão, frequentemente com milhares de passos por rotação. Existem duas famílias comuns:

• os codificadores magnéticos: um chip lê a orientação de um pequeno ímã fixado na extremidade do eixo. Compactos e baratos, eles frequentemente fornecem uma posição absoluta assim que são ligados;
• Os codificadores incrementais, ópticos ou magnéticos: eles contam impulsos e precisam de uma referência para conhecer a posição absoluta.

Com um encoder, o controle vetorial é preciso desde a parada até a velocidade máxima. Eles são encontrados em motores de moto, kart, robôs e em máquinas de competição. Requerem uma montagem cuidadosa: um encoder que desliza no eixo desregula todo o sistema de controle.

Os resolvers

Um resolver é um pequeno transformador rotativo, que não possui componentes eletrônicos dentro do motor. O controlador fornece a ele um sinal alternado e lê dois sinais de retorno, a partir dos quais determina o ângulo.

• **Vantagens:** Extremamente resistente ao calor, às vibrações e às perturbações elétricas; posição absoluta.
• Limitações: Mais volumoso e mais caro, requer um circuito de leitura dedicado no controlador.

Este é o sensor de referência para carros elétricos, onde os motores aquecem muito e giram em alta velocidade.

Sem sensor

O controlador também pode estimar a posição sem nenhum sensor, a partir do que já mede: as tensões que aplica e as correntes que circulam. Um cálculo chamado "observador" reconstrói a tensão produzida pelo motor quando está girando, e a partir disso, determina o ângulo.

• **Vantagens:** não requer sensores para instalação, conexão ou proteção; oferece alta precisão em velocidades médias e altas.
• Limites: Quando o veículo está parado, o motor não produz nenhuma tensão, portanto, o observador não tem nada para medir. A partida sob alta carga é menos eficiente.

Técnicas avançadas, como a injeção de um sinal de alta frequência, permitem estimar a posição mesmo quando o veículo está parado, explorando as pequenas diferenças de indutância do motor em função do ângulo. Elas funcionam melhor quanto mais pronunciada for a saillie do motor, como nos motores com ímãs internos.

Aqui está a comparação

A combinação do melhor de dois mundos

Muitos controladores combinam essas soluções: utilizam sensores Hall na partida e em baixas velocidades, e depois passam para a estimativa sem sensor assim que o motor atinge uma velocidade suficiente. Isso resulta em uma partida suave e um controle preciso em altas velocidades. Este é o funcionamento típico de um controlador VESC em um motor de scooter, configurado durante a detecção do motor.