Ennél megint sokkal összetettebb a dolog....

 

Nehéz ilyen témába röviden belekezdeni. de talán összefoglalva (ha sikerül) megpróbálom, egyszerű nyelvezettel, így nyilván nem lesznek szakszerűek és szakmaiak a sorok, de talán kicsit érthetőbb.

 

Alapvetően a cél, hogy egy többfázisú motornál valahogy szép homogén forgó mágneses mezőt hozzunk létre - úgy hogy a lehető legideálisabb kölcsönhatás jöjjön létre a forgórész és állórész között. A mágneses teret alapvetően az átfolyó áram hozza létre, és nem a feszültség, és ennek hatására jönnek létre a fizikai erőhatások. Ha nem szinuszos,a vezérlés hanem csak "kapcsolgatós" - adott fix áramot létrehozva az adott pólusban nem szinuszosan változót -  akkor ez a forgó mágneses tér nem kör alakként jelenik meg vektoriálisan, pontonként felrajzolva, hanem egy sokszögként, durván dupla annyi alakú sokszög, ahány pólusú a motor (ez már kicsit vezérlés és felépítés függő is). A kerékagymotorok jellemzően sokpólusú motorok, azaz mondjuk lesz egy 40-80 szögű "sokszöged".

 

Ez miért baj? Több baj is van vele, de csak egy kettőt emelnék ki. Az egyik, hogy bizony a nyomaték nem lesz egyenletes, rángatva lesz a motor. Ezt jellemzőn nem érzékeled persze, van egy mechanikai tömeg, egy tehetetlenség, az egész kb egy lenkerék, meg súlyt mozgat, és ez kisimítja valamennyire eme "rángatásokat". 

 

Ha viszont matematikailag közelítünk minden egyes pontra felírható egy vektoriális összegzés. Egyenlet szinten komplex matematikával az adott pontban felírhatóak a keletkező erők. Az ideális mindig az lenne, ha az erő az adott pontban kör sugarára merőlegesen hatna, azaz mint egy érintő, és tisztán ilyen irányú erő lépne fel - minden egyes pontban, mert akkor nincs másfele ható erő. Ha ez így "szögletes", akkor "meddő" erők jönnek létre. nem az érintő irányába fognak hatni az eredő erők. Azaz lesz egy komoly hatékonyságveszteség, feleslegesen elpazarolt energia, és nem szép körmozgásunk, plusz nyomatékveszetség is.

 

Ha az adott pontban felbontjuk az erőket vektoriálisan több összetevőre, lesz egy az érintő irányába ható erő (ha csak ez lenne, ez lenne az ideális), és lesz egy ki vagy befelé ható erő - ami kb felesleges veszteség, nem vesz részt a motor forgatásában, de mint erő jelen van amihez betáplált (felesleges)energia is társul! Ez az irány és az erőssége függ az átfolyó áramtól, az átfolyó áram által gerjesztett mágneses mező és az állandó mágnes egymáshoz képesti viszonyától/kölcsönhatásától - azaz pl függ a fordulatszámtól is!

 

Ez megjelenik abban is, hogy igazából rángatva van a forgórész, nem egyenletesen forog, ezért is hallod nem szinuszos vezérlőnél azt hangot amit (más oka is van, nem csak ez, de ez most mellékes). Mit tudunk csinálni, hogy csökkentsük az anomáliákat?

 

Ideális forgó mezőt kell létrehozni. Azt viszont csak szinuszos vezérléssel lehet megvalósítani vagy végtelen számú pólusszámmal.  Az utóbbit elvetném, és a pólusszám számának növekedése egyenesen arányos a melléé írt összeg értékével. Azaz minél több pólusú egy motor, annál nehezebb előállítani, gyártani tekercselni, és vannak technológiai fizikai korlátok is.
Szinuszos vezérlés esetében "ideális" forgó mágneses mező jön létre. Az idézőjel azért van, mert a valóságban ilyet nem tudunk, csak közelíteni. rengeteg olyan egyéb dolog beleszól, hogyan alakul a mágneses tér, vagy méginkább a fluxus, ami más problémából adódik de ez megint egy külön téma (tekercselés, nem teljesen homogén a mágneses tér, vannak szórt terek, helyi átmágnesezési hatások, fluxussűrűség sem homogén, B/H görbe hatásai stb). De mindenképpen ez első körben jó megoldás. Azaz ezért jó a szinuszos vezérlő, és itt nem is azt hallod futás közben mint egy "kapcsolgatósnál", hanem kb tök némán fut (több okból).

 

Na de mi alapján kell létrehoznunk a szinuszos mezőt? Az egyik legegyszerűbb módja, az a hall elemes módszer,a mi elterjedt. Adott pozíciókba elhelyezve, tudjuk "mikor kell indítani" a szinuszt - vagy éppen a deriváltját. Na de honnan tudja pl előre a vezérlő, hogy milyen szinusz hullám kell? 30Hz vagy 500HZ? Ez ugyebár a motor fordulatszámából adódik, pontosabban a körsebességből és a pólusok közötti szögből mint távolságból. Ezt a sok hall jel alapján ki tudja silabizálni, persze lassításnál gyorsításnál utána kell mennie. Ezt kb nevezhetjük V/f szabályzásnak, van is ilyen klasszikus módon.

 

Azaz a kérdésedre itt a válasz,  nem, nem kell ilyen vezérlésnél sin/cos jeladó vagy encoder, tud így is működni. Nagy előnye hogy igazából nem kell olyan hű de erős hw hozzá, viszonylag egyszerűen megvalósítható, emiatt olcsó is egyben, felépítésben sem kell nagyon komolyabb mint a "sima" vezérlőknél, egyedül a központi cpu-nak mikrovezérlőnek akárminek kell egy kicsit többet dogoznia, illetve a szinuszjel előállítása miatt jellemzően nagyobb frekin kell menjen a végfok, és ezt tudnia kell.  Azaz nincs nagyon sok plusz hw szinten, nem teszi esztelenül drágává.

 

Amire utaltam és te is visszakérdeztél, az már a "következő" fokozat. Ugyanis analóg jeladó esetben, ami sin / cos jelet ad ott még több infónk van a motorról. Matematikailag ezt nagyon hosszasan lehet leírni, de a lényeg, hogy ezen jelek deriváltja, második deriváltja meghatároz sok egyéb dolgot, hogy mi történik a mozgás közben. Gyakorlatilag folyamatosan real time kiséri a mozgást, nem csak kap egy egy impulzust/váltást, hogy most odaértem egy adott pólushoz, kapcsol a hall elem, eljöttem, kikapcsol a hall elem. A két kapcsolás közötti állapotról is pontos infónk van, és ezt matematikailag jól ki lehet értékelni. A hall elemről jel első deriváltja pl megadja a mozgás sebességét / szögsebességet és ez egyben meghatározza hogy milyen áramjel lenne az ideális, és ez komolyabb vezérlőknél beleszól a szinusz előállításába, áramjelekbe is persze közben sokmidnen mást is figyelve.  Persze itt már real time figyelni kell a fázisokat,analóg jeleket  bedigizni, jelformálni, jelfeldolgozni, és egy válaszfüggvényt adni rá eszerint vezérelni a motort. Ez még ideálisabb vezérlést tesz lehető (sarkítottan úgy is mondhatnám pontosabb és nagyobb felbontású vezérlést). De ez nincs ingyen itt akár több tiz khz-es jelekkel kell művelni, amihez párosítva komoly számítási igények kellenek, és jellemzően emiatt számításra optimalizált hardvereket használnak (pl DSP-ket). És ez nem olcsó.

 

Az utóbbi vezérlésre szokták "köztes megoldásként" használni jellemzően az encodereket. Azaz beraknak egy sok bites encodert ami lehet abszolut jeladó, AB jeladó, ilyen szempontból mindegy,a  lényeg hogy mondjuk egy körbefordulás alatt kapsz egy kHz nagyságú impulzussorozatot, és ezzel "finomíthatod" a hall elemes vezérlőt ami egy nagyságrenddel kevesebb jelet szolgáltat. Bár maga az encoder jellemzően drága dolog, de a hw így nagyon olcsó lesz, mert csak számolgatni kell jeleket, és ez alapján adott algoritmussal "cselekedni". Illetve vannak még további lehetőségek is benne (pl poziciószabályzás, stb pl egy lineáris motornál, de ez itt bringán tök mindegy). Felhozok egy példát, pl ha daruval emelsz mozgatsz súlyt, sok tonnákat ott az ilyen encoderek eszméletlen jó szolgálatot tesznek (most függetlenül attól, hogy ott jellemzően aszinkron motor van valamilyen hajtóművel). Mert ott pl bazi nagy nyomatékigény van és jellemzően nem sebességigény, így ezt össze lehet hozni. Kisebb teljesítményű motorból és kisebb súlyból ki lehet venni ugyanazt a hasznos teljesítményt akár. De hasonló példa tud lenni a  korszerűbb liftek vezérlése, nem véletlenül fele harmad annyit fogyasztanak, mint a régi sima mágneskapcsolós irányváltós darabok - a lifteknél már jellemzően állandó mágneses motorokat használnak manapság az új telepítéseknél. .

 

A magasabb bekerülési ár és a megkérdőjelezhető hasznosság miatti okból pl kerékpáron, motoron már ritkán fordul elő a szinuszos jeladó, bár komolyabb erőgépeken bizony az van kétkerekű motorokon is. Ezek az un valós vektoros mezőorientált vezérlők amik ez alapján működnek. Sajnos sok távol keleti vezérlőt így árulnak, de a legtöbb esetben azok egyszerűsített verziók, még hw sincs benne ami ezt korrekten le tudná kezelni. A valósak viszont eszméletlen durvák, ég és föld. Ráteszel ugyanarra a motorra egy simát, meg egy ilyet jól felparaméterezve (ez nagyon sok időt elvehet ám!!) és kb mintha más motoron ülnél. Teljesen mást fogsz tapasztalni dinamikus üzemben, ég és föld. A matek és fizika működik.

 

Persze megkérdőjelezhető, hogy egy párszáz w vagy 1-2kW motornál van- értelme ilyen vezérlést alkalmazni. Mert többe kerül a leves mint a hús.  Azaz nem biztos hogy van. De 30-40-100kW környékén vagy afelett már mindenképpen érdemes már csak azért is, mert jobb fogyasztást is tudunk elérni, és ott 1-2-3-4% hatásfoknövelés is kWh-kban lesz mérhető. Dinamikus üzemben meg ennél jóval nagyobb megtakarítás érhető el. és még nagyobb jelentősége van (ezt már nem fejteném ki ha nem gond), ott méginkább érezhető a hatása. A mai elektromos autókon pl kb mindegyikben van valamilyen encoder.

Most elfogyott belőlem az erő, így leállnék ha nem baj, bocs ha hosszúra nyúlt.