Senzori Hall, encoder, resolver sau fără senzori: cum știe controlerul poziția motorului
Un motor cu magneți funcționează corect doar dacă controlerul trimite curentul în locul potrivit, adică în funcție de poziția exactă a rotorului. Există patru metode principale pentru a determina această poziție. Aceste metode nu au același cost, nu au aceeași precizie și nu reacționează la fel în condiții de oprire, la viteze mari, în prezența apei sau a căldurii.
Esentialul
- Senzorii Hall: simpli și ieftini, oferă informații despre poziție la intervale de 60 de grade electrice, fiind suficienți pentru a porni vehiculul în mod eficient.
- Codificator: oferă o poziționare precisă și continuă, fiind ideal pentru controlul vectorial la toate vitezele.
- Rezoluator: foarte rezistent la căldură și vibrații, o alegere potrivită pentru aplicații auto.
- Fără senzor: poziția este calculată pe baza tensiunilor și a curenților; funcționează perfect în timpul mersului, dar este mai puțin precisă când vehiculul este oprit.
De ce este atât de importantă poziția?
Cuplul unui motor cu magneți este maxim atunci când câmpul creat de bobinaje este la 90 de grade electrice față de câmpul magneților. O eroare de câțiva grade reduce puțin cuplul; o eroare mare poate face ca motorul să funcționeze defectuos, sau chiar să frâneze în loc să ofere tracțiune. Ghidul nostru despre controlul vectorial (FOC) detaliază acest mecanism.
Atenție: aici vorbim despre grade electrice. Un motor cu mai multe perechi de poli efectuează mai multe rotații electrice pentru fiecare rotație mecanică. Într-un motor de roată al unui scuter, care are multe poli, o mică eroare mecanică se transformă într-o eroare electrică semnificativă.
Senzorii cu efect Hall
Trei senzori mici, amplasați în stator, detectează trecerea magneților din rotor. Fiecare senzor alternează între două stări; împreună, cele trei senzori împart fiecare rotație electrică în șase sectoare de 60°.
- `Avantaje: foarte accesibile ca preț, ușor de conectat (cinci fire), poziția este cunoscută chiar și când sunt oprite, ceea ce asigură o pornire lină.`
- `Limitări: precizie limitată, sensibile la umiditate, căldură și la fire deteriorate.`
Acesta este echipamentul standard pentru motoarele de trotinete și biciclete electrice. În modul de control vectorial, controlerul interpolează poziția între două stări pentru a obține un unghi continuu. Un senzor Hall defect poate provoca simptomele descrise în ghidul nostru despre motorul care "bâlbâie".
Codurile
Un encoder măsoară cu precizie unghiul rotorului, de obicei cu mii de impulsuri pe rotație. Există două familii principale:
- codurile magnetice: un cip citește orientarea unui mic magnet fixat la capătul axului. Compacte și ieftine, acestea oferă adesea o poziție absolută imediat după pornire;
- codurile incrementale, optice sau magnetice: acestea numără impulsuri și au nevoie de o referință pentru a cunoaște poziția absolută.
Cu un encoder, controlul vectorial este precis, de la starea de repaus până la viteza maximă. Acestea se găsesc pe motoarele de motocicletă, de kart, de roboți și pe mașinile de competiție. Montarea lor necesită o atenție deosebită: un encoder care alunecă pe axa motorului poate afecta întregul sistem de control.
Resolverele
Un rezolvator este un mic transformator rotativ, care nu conține componente electronice în motor. Controlerul îl alimentează cu un semnal alternativ și citește două semnale de feedback, pe baza cărora determină unghiul.
- Avantaje: foarte rezistent la căldură, vibrații și perturbații electrice; poziție absolută.
- Limitări: este mai voluminos și mai scump, și necesită un circuit de citire dedicat în controler.
Acesta este senzorul de referință pentru vehiculele electrice, unde motoarele se încălzesc foarte mult și funcționează la viteze mari.
Fără senzor
Controlerul poate, de asemenea, să estimeze poziția fără niciun senzor, bazându-se pe măsurătorile pe care le efectuează deja: tensiunile pe care le aplică și curenții care circulă. Un calcul numit "observator" reconstruiește tensiunea produsă de motor în timpul rotației și deduce unghiul.
- `Avantaje: nu necesită senzori de instalat, conectat sau protejat; foarte precis la viteze medii și mari.`
- Limitări: Când vehiculul este oprit, motorul nu produce tensiune, deci observatorul nu are nimic de măsurat. Pornirea sub sarcină mare este mai puțin eficientă.
Tehnici avansate, precum injectarea unui semnal de înaltă frecvență, permit estimarea poziției chiar și în starea de repaus, valorificând diferențele mici de inductanță ale motorului în funcție de unghi. Aceste tehnici funcționează mai bine atunci când motorul are o sațietate pronunțată, cum ar fi motoarele cu magneți interiori.
Comparația
| Hall | Codificator | Rezoluator | Fără senzor | |
|---|---|---|---|---|
| Precizie | Unghi mic (60° electric) | Ridicat | Ridicat | Creșterea prin experiență practică |
| La staționare | Da | Da | Da | Difficil |
| Rezistență | Media | Mediu spre bun | Excelent | Nimic de stricat |
| Cost | Foarte scăzut | Scăzut la moderat | Ridicat | Nul |
| Utilizare tipică | Trotinete, bicicletă | Motocicletă, kart, robot, circuit | Automobil | Drone, ventilatoare, pompe |
Cea mai bună combinație a a două abordări
Multe controllere combină aceste soluții: utilizează senzorii Hall la pornire și la viteze mici, apoi trec la estimarea fără senzori odată ce motorul atinge o viteză suficient de mare. Astfel, se obține o pornire rapidă și un control precis la viteze mari. Acesta este modul de funcționare obișnuit al unui controller VESC pe un motor de trotinete, configurat în timpul detectării motorului.
Întrebări frecvente
Se poate adăuga un encoder la un motor de trotinetă?
Este dificil pe un motor cu butuc: axul este fix, iar janta se rotește, ceea ce complică montarea unui encoder clasic. Senzorii Hall, asociați cu estimarea fără senzori în timpul funcționării, oferă deja rezultate foarte bune.
De ce motorul meu pornește greu fără senzori Hall?
Deoarece, în starea de repaus, motorul nu produce tensiune, controlerul nu poate calcula poziția acestuia. Acesta trebuie să-l rotească puțin "la întâmplare" pentru a determina poziția, ceea ce duce la o pornire ezitantă, mai ales sub sarcină.
Un senzor Hall se poate defecta sau funcționa incorect?
Poate degrada din cauza căldurii sau a umidității, sau se poate deplasa dacă adezivul cedează. Un senzor care se deplasează în momentul nepotrivit poate provoca un motor zgomotos, mai puțin eficient și care se încălzește.