Hall-sensorer, encoder, resolver eller sensorlös: hur styrenheten vet var motorn befinner sig
En motor med magneter fungerar bara bra om styrenheten skickar ström till rätt ställe, det vill säga baserat på den exakta positionen hos rotorn. Det finns fyra huvudsakliga sätt att ta reda på denna position. Dessa metoder har olika priser, olika precision och reagerar olika på faktorer som stillastående, hög hastighet, vatten eller värme.
Det viktigaste
- Hall-sensorer: Dessa är enkla och billiga, och de ger information om positionen i steg om 60° elektriska grader, vilket är tillräckligt för att få en bra start.
- Encoder: Ger en exakt och kontinuerlig positionsinformation, vilket är idealiskt för vektorstyrning vid alla hastigheter.
- Resolver: Mycket robust mot värme och vibrationer, vilket gör det till ett bra val för fordon.
- Utan sensor: positionen beräknas utifrån spänningar och strömmar; fungerar bra under körning, men är mer känslig när fordonet står stilla.
Varför är positionen så viktig?
Momentet från en motor med magneter är maximalt när fältet som skapas av lindningarna är 90 elektriska grader från fältet som skapas av magneterna. En felaktighet på några få grader minskar momentet något; en större felaktighet kan få motorn att "hacka" eller till och med bromsa istället för att driva. Vår guide om vektorstyrning (FOC) förklarar denna mekanism i detalj.
Uppmärksamhet: här talar vi om grader elektriska. En motor med flera polpar utför flera elektriska varv per mekaniskt varv. På en navmotor för elscooter, som har många polpar, kan en liten mekanisk felmarginal bli en stor elektrisk felmarginal.
Hall-givare
Tre små sensorer, placerade i statorn, detekterar magneternas rörelse i rotorn. Var och en växlar mellan två tillstånd; tillsammans delar de upp varje elektrisk varvning i sex sektorer om 60 grader.
- Fördelar: Mycket prisvärda, enkla att koppla (fem kablar), positionen är känd även när de är stillastående, vilket ger en smidig start.
- `Begränsningar: grov noggrannhet, känsliga för fukt, värme och skadade kablar.`
Detta är standardutrustningen för motorer i elscootrar och elcyklar. I vektorstyrningsläge interpolerar styrenheten positionen mellan två statusändringar för att få en kontinuerlig vinkel. En defekt Hallsensor ger de symptom som beskrivs i vår guide om motorer som rycker och hackar.
Koderna
En encoder mäter rotorvinkeln med hög precision, ofta med tusentals steg per varv. Två huvudtyper är vanliga:
- Magnetiska kodare: En chip läser av orienteringen av en liten magnet som är fäst vid änden av axeln. De är kompakta och billiga, och ger ofta en absolut position direkt vid uppstart;
- Inkrementella kodare, optiska eller magnetiska: de räknar impulser och behöver en referens för att veta den absoluta positionen.
Med en encoder är vektorstyrningen exakt från stillestånd till maximal hastighet. De finns på motorer för motorcyklar, gokarts, robotar och tävlingsmaskiner. De kräver en noggrann montering: en encoder som glider på axeln förskjuter hela styrningen.
Resolutorerna
En givare är en liten, roterande transformator som inte innehåller någon elektronik i motorn. Styrsystemet matar den med en växelströmssignal och läser av två retursignaler, utifrån vilka den beräknar vinkeln.
- Fördelar: Mycket robust mot värme, vibrationer och elektriska störningar; absolut positionering.
- Begränsningar: Mer otymplig och dyrare, kräver en dedikerad läscirkuit i styrenheten.
Det är den referenssensor som används i elfordon, där motorerna blir väldigt varma och snurrar snabbt.
Utan sensor
Styrenheten kan också uppskatta positionen utan några sensorer, baserat på vad den redan mäter: de spänningar den applicerar och de strömmar som flyter. En beräkning, kallad observatör, rekonstruerar spänningen som genereras av motorn när den roterar, och härleds vinkeln från detta.
- Fördelar: Inga sensorer att montera, ansluta eller skydda; mycket precisa vid medelhöga och höga hastigheter.
- Begränsningar: När fordonet står stilla producerar motorn ingen spänning, så det finns inget för mätaren att registrera. Starten under tung belastning kan vara mindre jämn.
Avancerade tekniker, som att injicera en högfrekvenssignal, möjliggör att positionen uppskattas även när fordonet står stilla, genom att utnyttja de små skillnaderna i motorns induktans beroende på vinkeln. Dessa tekniker fungerar särskilt bra när motorn har en tydlig "saillance", vilket är vanligt hos motorer med inbyggda magneter.
Jämförelsen
| Hej! | Encoder | Resolver | Utan sensor | |
|---|---|---|---|---|
| Exakthet | Låg (60° elektrisk vinkel) | Höjd | Höjd | Uppfostrad genom att åka |
| Vid stillastående | Ja | Ja | Ja | Svårt |
| Robusthet | Genomsnitt | Medel till bra | Utmärkt | Ingenting att gå sönder |
| Kostnad | Mycket låg | Låg till medel | Höjd | Nul |
| Typisk användning | Elscooter, cykel | Motorcykel, gokart, robot, bana | Bil | Drönare, fläktar, pumpar |
Det bästa av två världar
Många styrenheter kombinerar dessa lösningar: de använder Hallsensorer vid start och låg hastighet, och övergår sedan till sensorlös styrning så snart motorn roterar tillräckligt snabbt. Detta ger en snabb start och precis kontroll vid höga hastigheter. Detta är den vanliga funktionen för en VESC-styrenhet på en elscootermotor, och den ställs in under motordetektionen.
Vanliga frågor
Kan man montera en encoder på en elscootermotor?
Det är svårt på en navmotor: axeln är fast och det är fälgen som roterar, vilket komplicerar installationen av en traditionell encoder. Hallsensorer, i kombination med sensorlös estimering under drift, ger redan mycket bra resultat.
Varför startar min motor dåligt utan Hallsensorer?
Eftersom motorn inte producerar någon spänning när den står stilla, kan styrenheten inte beräkna dess position. Den måste få motorn att snurra lite "i blindo" för att hitta positionen, vilket resulterar i en tveksam start under belastning.
Kan en Hallsensor bli feljusterad?
Den kan försämras på grund av värme eller fukt, eller lossna om limmet ger efter. En sensor som aktiveras vid fel tillfälle kan orsaka ett bullrigt motorljud, minskad effektivitet och överhettning.