Sensorlös styrning: hur en observatör gissar motorns position

Många styrenheter kan driva en motor utan några positionssensorer: detta kallas sensorlös styrning, eller "sensorless". Styrenheten beräknar då kontinuerligt var rotorn befinner sig, baserat på vad den redan mäter. Denna beräkning kallas för en observatör. Denna guide förklarar principen, dess styrkor och dess begränsningar.

Principen: att lyssna på dynamon

En magnetmotor som roterar är en generator: den producerar en spänning, den mot-elektromotoriska kraften (EMK), som är proportionell mot dess hastighet och orienterad enligt magneternas position. Om man känner till denna spänning känner man till rotorns vinkel.

Styrenheten kan inte mäta den direkt eftersom den själv matar motorn. Men den känner till spänningen den applicerar och mäter strömmen. Den applicerade spänningen fördelas i tre delar:

• fallet i lindningarnas resistans, proportionellt mot strömmen;
• delen som absorberas av induktansen, proportionell mot strömförändringarna;
• mot-elektromotorisk kraft, den vi söker.

Genom att subtrahera de två första från den applicerade spänningen återstår den tredje. Det är hela observatörens arbete.

Flödesobservatorn

En vanlig metod resonerar kring det magnetiska flödet snarare än spänningen. Genom att tidsintegrera den applicerade spänningen minus fallet i resistansen får man det totala flödet som lindningarna ser. Genom att subtrahera delen som beror på strömmen (induktansen multiplicerad med strömmen) återstår magneternas flöde, vars riktning ger rotorns vinkel.

Integreringen har en brist: minsta fel ackumuleras och får resultatet att driva. Moderna observatörer korrigerar detta kontinuerligt genom att kräva att amplituden på det uppskattade flödet förblir lika med magneternas kända flöde. Det är därför motordetekteringen mäter detta flöde.

Ett andra steg, ofta en faslåst loop (PLL), jämnar ut den erhållna vinkeln och härleder hastigheten.

Det som lurar den

• Resistansen som ändras med värme: varm koppar har högre resistans. En felaktigt känd resistans förvränger uppskattningen, särskilt vid låg hastighet där den mot-elektromotoriska kraften är svag. Se vår guide om motoruppvärmning.
• En felaktigt uppmätt induktans: felet växer med strömmen och strömmens förändringshastighet.
• Magneter som försvagas när de värms upp: det verkliga flödet avviker från det kända flödet.
• Ofullkomliga mätningar: förskjutning av strömsensorer, spänning som faktiskt appliceras skiljer sig från börvärdet på grund av dödtid.

Begränsningen vid stillastående

Vid stillastående producerar motorn ingen spänning: observatören har ingenting att observera. Vid mycket låg hastighet är signalen så svag att felen dominerar. Det är därför en sensorlös motor kan tveka eller skaka vid start under belastning, trots att den går perfekt när den väl har kommit igång.

Tre lösningar finns:

• start i öppen loop: styrenheten roterar fältet blint tills motorn når en hastighet där observatören tar över;
• högfrekvensinjektion: styrenheten lägger till en liten snabb signal och observerar hur motorns induktans varierar med vinkeln. Detta fungerar vid stillastående, särskilt på motorer med tydlig utpräglad magnetisk struktur som motorer med interna magneter;
• Hall-sensorer vid start, sedan övergång till observatören under körning: detta är den vanligaste lösningen på elsparkcyklar. Se vår guide om positionssensorer.

Varför sensorlös styrning är så uppskattad

• Inga sensorer att placera, koppla in eller skydda mot vatten och värme.
• En uppskattning som ofta är mer exakt än Hall-sensorer så fort motorn roterar.
• En reservlösning när en sensor går sönder under körning.