Controle sem sensor: como um observador determina a posição do motor

Muitos controladores conseguem operar um motor sem nenhum sensor de posição: falamos de controle sem sensor, ou "sensorless". O controlador, nesse caso, calcula continuamente a posição do rotor, com base nas informações que já possui. Esse cálculo é chamado de observador. Este guia explica seu princípio, suas vantagens e suas limitações.

O princípio: ouvir o dínamo

Um motor de ímãs em rotação funciona como um gerador: ele produz uma tensão, a força contraeletromotriz, que é proporcional à sua velocidade e orientada de acordo com a posição dos ímãs. Se essa tensão é conhecida, então o ângulo do rotor também é conhecido.

O controlador não pode medir isso diretamente, já que ele próprio alimenta o motor. No entanto, ele conhece a tensão que está aplicando e mede a corrente. A tensão aplicada é distribuída em três partes:

• a queda na resistência dos enrolamentos, proporcional à corrente;
• a parte absorvida pela indutância, que é proporcional às variações da corrente;
• a força contraeletromotriz, aquela que se busca.

Ao remover as duas primeiras da tensão aplicada, a terceira permanece. É todo o trabalho do observador.

O monitor de fluxo

Um método comum analisa o fluxo magnético em vez da tensão. Ao integrar no tempo a tensão aplicada, menos a queda na resistência, obtém-se o fluxo total percebido pelas bobinas. Ao subtrair a parte devida à corrente (a indutância multiplicada pela corrente), o que resta é o fluxo dos ímãs, cuja direção indica o ângulo do rotor.

A integração possui uma falha: o menor erro se acumula e desvia o resultado. Os sistemas modernos corrigem isso constantemente, forçando que a amplitude do fluxo estimado permaneça igual ao fluxo conhecido dos ímãs. É por isso que a detecção do motor mede esse fluxo.

Um segundo estágio, frequentemente um circuito de sincronização de fase (PLL), suaviza o ângulo obtido e a partir dele determina a velocidade.

O que o engana

• A resistência que varia com a temperatura: o cobre quente oferece maior resistência. Uma resistência mal conhecida pode distorcer a estimativa, especialmente em baixas velocidades, onde a força contraeletromotriz é baixa. Consulte nosso guia sobre aquecimento do motor elétrico.
• `Uma indutância mal medida: O erro aumenta com a corrente e a velocidade de variação da corrente.`
• **Ímãs que perdem força** quando aquecem: o fluxo real se desvia do fluxo conhecido.
• **Medições imprecisas:** Desvio dos sensores de corrente, tensão aplicada real diferente do valor desejado devido ao tempo de resposta.

O limite de frenagem

Quando o motor está parado, ele não produz nenhuma tensão: o observador não tem nada a observar. Em velocidades muito baixas, o sinal é tão fraco que os erros predominam. É por isso que um motor sem sensor pode hesitar ou tremer na partida sob carga, enquanto que funciona perfeitamente uma vez que está em movimento.

Existem três soluções possíveis:

• Partida em circuito aberto: o controlador faz girar o motor aleatoriamente até que ele atinja uma velocidade em que o sistema de controle assume o controle;
• Injeção de alta frequência: O controlador adiciona um pequeno sinal rápido e observa como a indutância do motor varia com o ângulo. Isso funciona em marcha lenta, especialmente em motores com forte saliência, como os motores com ímãs internos;
• Os sensores Hall são utilizados na partida, e depois passa-se para o modo de observação durante a condução: esta é a solução mais comum em scooters elétricas. Consulte nosso guia sobre sensores de posição.

Por que o sistema sem sensores é tão valorizado?

• Não há sensores para instalar, conectar, ou proteger da água e do calor.
• Uma estimativa que, frequentemente, é mais precisa do que a obtida com sensores Hall, especialmente quando o motor está em funcionamento.
• Uma solução de segurança para quando um sensor falha durante a condução.