Controlul fără senzori: cum un algoritm determină poziția motorului

Multe controllere pot gestiona un motor fără niciun senzor de poziție: vorbim despre control fără senzor, sau "sensorless". Controlerul calculează constant poziția rotorului, pe baza a ceea ce măsoară deja. Acest calcul se numește un observator. Acest ghid explică principiul, avantajele și limitele sale.

Esentialul

• În timpul virajelor, un motor cu magneți produce o tensiune a cărei polaritate indică poziția rotorului.
• Observatorul poate calcula această tensiune pornind de la tensiunea aplicată și de la curentul măsurat, scăzând valoarea consumată de rezistența și inductanța bobinajelor.
• Are nevoie de valori precise pentru rezistență, inductanță și fluxul magnetic al motorului: acestea sunt furnizate de procesul de detectare.
• La funcționare la ralantie și la viteze foarte mici, nu se pot efectua aproape nicio măsurătoare: aceasta este o limitare majoră a sistemelor fără senzori.

Principiul: ascultarea dinamoului

Un motor cu magneți în mișcare funcționează ca un generator: el produce o tensiune, numită forță electromotoare inversă, care este proporțională cu viteza sa și orientată în funcție de poziția magneților. Dacă cunoaștem această tensiune, putem determina unghiul rotorului.

Controlerul nu poate măsura direct această valoare, deoarece el alimentează singur motorul. Însă, el cunoaște tensiunea pe care o aplică și măsoară curentul. Tensiunea aplicată se distribuie în trei părți:

• căderea în rezistența a înfășurărilor, proporțională cu curentul;
• cantitatea de energie absorbită de inductanță, proporțională cu variațiile curentului;
• forța electromotoare inversă, cea pe care o căutăm.

Prin eliminarea primelor două valori din tensiunea aplicată, rămâne a treia. Acesta este întregul rol al observatorului.

Monitorul de flux

O metodă comună se bazează pe analiza fluxului magnetic, mai degrabă decât pe tensiune. Prin integrarea în timp a tensiunii aplicate, minus căderea de tensiune în rezistență, se obține fluxul total perceput de bobinaje. Scăzând componenta datorată curentului (inductanța înmulțită cu curentul), rămâne fluxul generat de magneți, iar direcția acestuia indică unghiul rotorului.

Integrarea are un defect: cea mai mică eroare se acumulează și afectează rezultatul. Sistemele moderne corectează acest lucru continuu, impunând ca amplitudinea fluxului estimat să fie egală cu fluxul cunoscut al magneților. De aceea, detectarea motorului măsoară acest flux.

Un al doilea nivel, adesea o buclă de urmărire de fază (PLL), ajustează fin unghiul obținut și calculează viteza pe baza acestuia.

Ce îl induce în eroare

• Rezistența care se modifică odată cu temperatura: cuprul încălzit oferă o rezistență mai mare. O rezistență necunoscută poate denatura estimările, mai ales la viteze mici, unde forța contraelectromotoare este scăzută. Consultați ghidul nostru despre încălzirea motorului electric.
• `O inductanță măsurată incorect: eroarea crește odată cu curentul și cu viteza de variație a curentului.`
• Magnetii care își pierd din intensitate când se încălzesc: fluxul magnetic real deviază de la fluxul teoretic.
• `Măsurătorile imperfecte: decalarea senzorilor de curent, tensiunea aplicată efectiv diferită de valoarea dorită din cauza timpului de răspuns.`

Limita de oprire

Când motorul este oprit, acesta nu produce nicio tensiune: observatorul nu are ce să observe. La viteze foarte mici, semnalul este atât de slab încât erorile predomină. De aceea, un motor fără senzori poate ezita sau vibra la pornire, sub sarcină, în timp ce funcționează perfect odată ce a atins turația necesară.

Există trei soluții posibile:

• Pornirea în buclă deschisă: Controlerul face ca motorul să funcționeze la o turație aleatorie până când acesta atinge o viteză la care sistemul de control preia funcționarea
• Injectarea de înaltă frecvență: Controlerul adaugă un semnal mic și rapid și observă cum inductanța motorului variază în funcție de unghi. Aceasta funcționează la staționare, mai ales la motoarele cu sațietate pronunțată, cum ar fi motoarele cu magneți interiori;
• Senzorii Hall sunt utilizați la pornire, apoi se trece la modul "observator" în timpul rulării: aceasta este cea mai comună soluție la trotinete. Consultați ghidul nostru despre senzorii de poziție.

De ce sistemele fără senzori sunt atât de apreciate?

• Niciun senzor de montat, conectat sau protejat de apă și căldură.
• O estimare, de obicei, mai precisă decât cea oferită de senzorii Hall, mai ales când motorul este în funcțiune.
• O soluție de rezervă în cazul în care un senzor se defectează în timpul funcționării.

Întrebări frecvente

De ce firmware-ul VESC oferă mai mulți senzori (observatori)?

Pentru că niciunul nu este perfect în toate situațiile. Unele sunt mai rezistente la erorile de configurare, altele răspund mai bine la variațiile rapide sau funcționează mai bine la viteze mai mici. Alegerea se face în funcție de motor și de utilizare, iar rezultatul se verifică în timpul utilizării.

Un motor bine detectat poate funcționa defectuos fără senzor după un efort prelungit?

Da: Când se încălzește, rezistența bobinajelor crește, iar magneții își pierd puțin din intensitate. Diferența față de valorile măsurate la temperatură scăzută poate afecta precizia estimărilor la viteze mici. Unele controllere compensează rezistența în funcție de temperatura motorului.

Este potrivit un sistem fără senzori pentru un scuter electric?

În timpul mersului, funcționează foarte bine. Însă, la pornire, mai ales în rampă sau cu un utilizator mai greu, senzorii Hall rămân foarte utili. Combinația celor două soluții este cea mai bună opțiune.