BLDC Hallov senzor: Ako to funguje, typy a príručka na odstraňovanie problémov

Čo je Hallov senzor v motore BLDC

Stiahnite koncový uzáver z väčšiny bezkefkových jednosmerných motorov a nájdete tri drobné súčiastky zoskupené v blízkosti vinutí, z ktorých každý je sotva väčší ako zrnko ryže. To sú Hallove senzory a bez nich – alebo ich náhrady, ako je spätné EMF snímanie – motor nemá ako vedieť, ktorým smerom má tlačiť.

Hallov senzor detekuje magnetické polia pomocou Hallovho javu: keď magnetické pole prechádza kolmo na prvok nesúci prúd, tlačí nosiče náboja na jednu stranu a vytvára merateľné napätie. V motore BLDC sú tri z týchto snímačov umiestnené na statore blízko nehnacieho konca a sú umiestnené tak, aby sa okolo nich otáčali permanentné magnety rotora, keď sa hriadeľ otáča. Každý senzor sa prepne na vysokú alebo nízku úroveň v závislosti od toho, či je v blízkosti severný alebo južný pól, a kombinácia všetkých troch signálov v každom okamihu povie ovládaču presne, kde rotor sedí – aj keď sa motor nepohybuje.

Ako Hallove senzory riadia komutáciu

Trojfázový BLDC motor potrebuje prúd vinutia prepínať v správnom poradí, aby sa rotor otáčal - proces nazývaný komutácia. Hallove senzory to umožňujú tým, že dávajú ovládaču priame odčítanie polohy rotora, namiesto toho, aby ho nútili odvodiť polohu nepriamo.

S tromi snímačmi rozmiestnenými okolo statora vytvárajú magnety rotora jednu zo šiestich možných kombinácií vysokých/nízkých hodnôt, keď prechádza úplnou elektrickou otáčkou. Každá kombinácia zodpovedá špecifickému 60° sektoru a regulátor používa vyhľadávaciu tabuľku na rozhodnutie, ktoré dve z troch fáz by mali byť napájané pre daný sektor. Keď sa rotor posunie do ďalšieho sektora, Hallov vzor sa zmení, ovládač sa prepne na ďalší pár vinutia a rotujúce magnetické pole stále ťahá rotor dopredu – šesť diskrétnych krokov na elektrický cyklus, známe ako lichobežníková alebo šesťkroková komutácia.

To je tiež dôvod, prečo na Hallových snímačoch záleží najviac pri zastavení a nízkej rýchlosti. Regulátor spoliehajúci sa na spätné EMF nemá čo čítať, kým sa motor už netočí dostatočne rýchlo na to, aby generoval použiteľný signál; Motor vybavený Hallom hlási svoju polohu od momentu, keď sa pripojí napájanie, čo je dôvod, prečo sa snímané konštrukcie spustia čisto pri zaťažení bez hádania s otvorenou slučkou.

Typy snímačov Hallovho efektu

Nie všetky Hallove senzory sa správajú rovnako a na rozdiele záleží pri špecifikácii motora alebo pri odstraňovaní jeho problémov.

• Digitálne unipolárne senzory zapnite, keď niektorý z magnetických pólov prejde blízko, a vypnite, keď pole klesne. Sú jednoduché a lacné, ale menej bežné pri BLDC komutácii, pretože nerozlišujú polaritu pólov tak čisto.
• Digitálne bipolárne (záchytné) snímače zapnite v prítomnosti jedného pólu a vypnite len vtedy, keď príde opačný pól – pričom ich stav zostane medzi nimi. Toto správanie so západkou poskytuje čisté, opakovateľné prechody a je štandardnou voľbou pre komutáciu BLDC.
• Analógové (lineárne) snímače na výstupe je skôr napätie úmerné sile poľa než jednoduchý signál zapnutia/vypnutia. Používajú sa menej často na základnú komutáciu, ale objavujú sa v aplikáciách vyžadujúcich jemnejšie rozlíšenie polohy pomocou interpolácie.

Kľúčové kritériá výberu

Výber Hallovho senzora – alebo vyhodnotenie senzora, ktorý je už zabudovaný v motore – závisí od niekoľkých parametrov, ktoré priamo ovplyvňujú presnosť komutácie a účinnosť motora.

Hlbší technický rozpis týchto parametrov vrátane toho, ako sa hodnoty BOP a BRP čítajú z údajového listu, je k dispozícii v tomto Sprievodca výberom snímača s Hallovým efektom od spoločnosti Portescap .

Senzorové verzus bezsenzorové ovládanie BLDC

Hallove senzory nie sú jediným spôsobom komutácie BLDC motora a alternatíva – bezsenzorové riadenie založené na spätnom EMF – vymieňa jednu sadu silných stránok za druhú.

Motory so snímačom poskytujú spoľahlivý rozbehový krútiaci moment pri zaťažení, pretože poloha je známa aj pri nulových otáčkach a dobre držia v aplikáciách s častými štartmi, zastaveniami alebo zmenami smeru. Cena je dodatočná kabeláž - zvyčajne päťvodičový zväzok - a jeden ďalší komponent, ktorý môže zlyhať v dôsledku tepla, vibrácií alebo zlého konektora. Bezsenzorové riadenie úplne eliminuje toto zapojenie a súvisiaci bod zlyhania, ale nedokáže určiť polohu rotora, kým sa motor už neotáča dostatočne rýchlo na to, aby generoval detekovateľné spätné EMF, čo znamená štartovaciu rampu s otvorenou slučkou predtým, ako prevezme riadenie s uzavretou slučkou.

Pre motory, ktoré bežia nepretržite pri strednej až vysokej rýchlosti – ventilátory, čerpadlá, pohon dronov – sú často praktickejšou voľbou bezsenzorové konštrukcie. Pre čokoľvek, čo si vyžaduje spoľahlivý krútiaci moment pri rozjazde z miesta – zdvíhacie zariadenia s priamym pohonom, polohovanie v štýle servomotorov, motory nábojov e-bikov odtiahnutie od zastávky na kopci – Hallove senzory zostávajú bezpečnejšou stávkou. Tento kompromis sa v tomto porovnaní podrobnejšie skúma bezsenzorové riadenie bezkomutátorového motora so snímačom Hallovho efektu a tento prehľad ako ovládače motora BLDC zvládajú komutáciu v širšom zmysle .

Diagnostika bežných porúch Hallovho snímača

Motor, ktorý trhne, zastavuje sa pri štarte alebo beží len jedným smerom pred vypnutím, vykazuje skôr klasické symptómy problému Hallovho snímača než poruchu vinutia.

• Chýbajúci signál na jednom kanáli: jeden zlyhaný snímač vytvára neplatnú kombináciu stavov, ktorú väčšina ovládačov označí ako poruchu namiesto pokusu o nesprávnu komutáciu.
• Hrubé alebo trhavé otáčanie pri nízkej rýchlosti: často ukazuje na nesprávne nastavený snímač alebo na snímač, ktorý je posunutý zo správnej uhlovej polohy vzhľadom na magnety rotora.
• Motor sa točí nesprávnym smerom alebo sa okamžite zastaví: môže indikovať, že dva Hallove vodiče boli prehodené počas opravy, alebo snímač zapojený na nesprávnu fázovú referenciu.
• Prerušované vypínanie pri vibráciách: skôr silný znak prasknutého spájkovaného spoja alebo uvoľneného konektora než samotného chybného snímača.

Multimeter na 5V napájacom a uzemňovacích kolíkoch snímača potvrdzuje, že napájanie dosahuje dosku snímača; kontrola každého signálneho vodiča proti zemi pri pomalom otáčaní hriadeľa rukou by mala vykazovať čisté prechody medzi vysokými a nízkymi hodnotami pri prechode každého magnetického pólu. Signál, ktorý sa nikdy nemení, alebo ktorý nepravidelne bliká, ukazuje skôr na konkrétny snímač alebo jeho zapojenie než na ovládač.

Prispôsobenie výstupu Hallovho senzora vášmu ovládaču motora

Motor vybavený Hallom je len polovica rovnice – ovládač na druhom konci tohto päťvodičového zväzku musí čítať rovnaké logické úrovne a očakávať rovnaké usporiadanie snímačov.

Pred spárovaním motora a regulátora skontrolujte, či sa Hallovo napájacie napätie zhoduje s výstupmi regulátora – 5V a 3,3V logika nie je zameniteľná bez prepínača úrovne – a že rozhranie snímača polohy regulátora je nakonfigurované pre Hallov vstup a nie signály kódovača alebo rozkladača. Ovládače, ktoré podporujú viacero metód snímania, tu ponúkajú flexibilitu; na Regulátor motora BLDC s vysokou kompatibilitou série R2 , napríklad pracuje s motormi so snímačmi Hallovho efektu aj bez snímačov, čo zjednodušuje výmenu medzi typmi motorov bez zmeny hardvéru. Návod na prispôsobenie konkrétnych modelov ovládačov špecifikáciám motora vybavených Hallom nájdete v tomto referencia párovania ovládača a motora prechádza parametrami, ktoré je potrebné zarovnať. Plný Zostava ovládačov motora BLDC pokrýva rozsah tried napätia a prúdu pre motory rôznych veľkostí.