Hall senzorji, dajalniki, resolverji ali brez senzorjev: kako krmilnik ve, kje je motor
Motor s trajnimi magneti deluje pravilno le, če krmilnik pošlje tok na pravo mesto, torej glede na točen položaj rotorja. Obstajajo štirje glavni načini za določanje tega položaja. Razlikujejo se po ceni, natančnosti in odzivanju pri mirovanju, visokih hitrostih, v vodi ali pri vročini.
Bistvo
- Hall senzorji: preprosti in poceni, določajo položaj v korakih po 60° električnega kota, kar zadostuje za odločen zagon.
- Dajalnik: natančen in stalen položaj, idealen za vektorsko krmiljenje pri vseh hitrostih.
- Resolver: zelo odporen na vročino in vibracije, izbira v avtomobilski industriji.
- Brez senzorjev: položaj se izračuna na podlagi napetosti in tokov; popolno med vožnjo, zahtevnejše pri mirovanju.
Zakaj je položaj tako pomemben
Navor motorja s trajnimi magneti je največji, ko je polje, ki ga ustvarijo navitja, pod kotom 90° električnega kota glede na polje magnetov. Napaka nekaj stopinj povzroči izgubo navora; velika napaka povzroči cukanje motorja ali celo zaviranje namesto pospeševanja. Naš vodnik o vektorskem krmiljenju podrobno opisuje ta mehanizem.
Pozor: tukaj govorimo o električnih stopinjah. Motor z več pari polov opravi več električnih obratov na en mehanski obrat. Pri motorju v pestu električnega skiroja, ki ima veliko polov, majhna mehanska napaka postane velika električna napaka.
Hall senzorji
Trije majhni senzorji, nameščeni v statorju, zaznavajo prehod magnetov rotorja. Vsak preklaplja med dvema stanjema; skupaj razdelijo vsak električni obrat na šest sektorjev po 60°.
- Prednosti: zelo poceni, preprosto ožičenje (pet žic), položaj je znan tudi pri mirovanju, zato je zagon odločen.
- Omejitve: groba natančnost, občutljivost na vlago, vročino in poškodovane žice.
To je standardna oprema za motorje električnih skirojev in koles. Pri vektorskem krmiljenju krmilnik interpolira položaj med dvema spremembama stanja, da pridobi zvezni kot. Okvarjen Hall senzor povzroči simptome, opisane v našem vodniku o cukanju motorja.
Dajalniki
Dajalnik natančno meri kot rotorja, pogosto s tisoči korakov na obrat. Pogosti sta dve družini:
- magnetni dajalniki: čip bere usmerjenost majhnega magneta, pritrjenega na konec gredi. Kompaktni in poceni, pogosto podajo absolutni položaj takoj ob vklopu;
- inkrementalni dajalniki, optični ali magnetni: štejejo impulze in potrebujejo referenco za določitev absolutnega položaja.
Z dajalnikom je vektorsko krmiljenje natančno od mirovanja do največje hitrosti. Najdemo jih na motorjih za motocikle, kartinge, robote in tekmovalne stroje. Zahtevajo skrbno montažo: dajalnik, ki zdrsne na gredi, zamakne celotno krmiljenje.
Resolverji
Resolver je majhen vrtljivi transformator brez elektronike v motorju. Krmilnik ga napaja z izmeničnim signalom in bere dva povratna signala, iz katerih izpelje kot.
- Prednosti: zelo odporen na vročino, vibracije in električne motnje; absolutni položaj.
- Omejitve: bolj zajeten in dražji, zahteva namensko bralno vezje v krmilniku.
To je referenčni senzor za električne avtomobile, kjer se motorji močno segrejejo in hitro vrtijo.
Brez senzorjev
Krmilnik lahko položaj oceni tudi brez kakršnih koli senzorjev, na podlagi tistega, kar že meri: napetosti, ki jih dovaja, in tokov, ki tečejo. Izračun, imenovan opazovalec, rekonstruira napetost, ki jo motor proizvaja med vrtenjem, in iz nje izpelje kot.
- Prednosti: ni senzorjev za namestitev, ožičenje ali zaščito; zelo natančno pri srednjih in visokih hitrostih.
- Omejitve: pri mirovanju motor ne proizvaja nobene napetosti, zato opazovalec nima česa meriti. Zagon pod veliko obremenitvijo je manj odločen.
Napredne tehnike, kot je vbrizgavanje visokofrekvenčnega signala, omogočajo oceno položaja tudi pri mirovanju z izkoriščanjem majhnih razlik v induktivnosti motorja glede na kot. Delujejo toliko bolje, kolikor bolj izrazito izstopnost ima motor, kot so motorji s trajnimi magneti v rotorju.
Primerjava
| Hall | Dajalnik | Resolver | Brez senzorjev | |
|---|---|---|---|---|
| Natančnost | Nizka (60° električnih) | Visoka | Visoka | Visoka med vožnjo |
| Pri mirovanju | Da | Da | Da | Težavno |
| Robustnost | Srednja | Srednja do dobra | Odlična | Ničesar za zlomiti |
| Strošek | Zelo nizek | Nizek do srednji | Visok | Ničen |
| Tipična uporaba | Električni skiro, kolo | Motocikel, karting, robot, dirkanje | Avtomobilizem | Droni, ventilatorji, črpalke |
Najboljše iz obeh svetov
Številni krmilniki združujejo rešitve: uporabljajo Hall senzorje pri zagonu in nizkih hitrostih, nato pa preklopijo na ocenjevanje brez senzorjev, takoj ko se motor vrti dovolj hitro. Dosežemo odločen zagon in natančno krmiljenje pri visoki hitrosti. To je običajno delovanje krmilnika VESC na motorju električnega skiroja, nastavljeno med zaznavanjem motorja.
Pogosta vprašanja
Ali lahko motorju električnega skiroja dodam dajalnik?
To je pri motorju v pestu težko: os je fiksna, vrti se platišče, kar otežuje namestitev klasičnega dajalnika. Hall senzorji, povezani z ocenjevanjem brez senzorjev med vožnjo, že dajejo zelo dobre rezultate.
Zakaj moj motor slabo starta brez Hall senzorjev?
Ker pri mirovanju motor ne proizvaja nobene napetosti: krmilnik ne more izračunati njegovega položaja. Mora ga malo zavrteti »na slepo«, da ga najde, kar povzroči negotov zagon pod obremenitvijo.
Se lahko Hall senzor razglasi?
Lahko se poslabša zaradi vročine ali vlage ali pa se premakne, če lepilo popusti. Senzor, ki preklopi ob napačnem času, povzroči hrupen, manj učinkovit motor, ki se segreva.