BLDC Hallův senzor: Jak to funguje, typy a průvodce odstraňováním problémů

Co je Hallův senzor v BLDC motoru

Z většiny bezkomutátorových stejnosměrných motorů sejměte koncovku a poblíž vinutí najdete tři drobné součástky, z nichž každá je sotva větší než zrnko rýže. To jsou Hallovy senzory a bez nich – nebo jejich náhrady, jako je zpětné EMF snímání – motor nemůže vědět, kterým směrem má tlačit.

Hallův senzor detekuje magnetická pole pomocí Hallova jevu: když magnetické pole prochází kolmo k prvku s proudem, tlačí nosiče náboje na jednu stranu a vytváří měřitelné napětí. U BLDC motoru jsou tři z těchto snímačů umístěny na statoru poblíž nehnacího konce, umístěné tak, aby kolem nich při otáčení hřídele procházely permanentní magnety rotoru. Každý senzor přepíná vysoký nebo nízký v závislosti na tom, zda je v blízkosti severní nebo jižní pól, a kombinace všech tří signálů říká ovladači, kde přesně sedí rotor v každém okamžiku – i když se motor nepohybuje.

Jak Hallovy senzory řídí komutaci

Třífázový BLDC motor potřebuje svůj proud vinutí přepínat ve správném pořadí, aby se rotor otáčel – proces zvaný komutace. Hallovy senzory to umožňují tím, že dávají řadiči přímý odečet polohy rotoru, spíše než aby jej nutily, aby polohu odvodil nepřímo.

Se třemi senzory rozmístěnými kolem statoru vytvářejí magnety rotoru jednu ze šesti možných kombinací vysoká/nízká, když prochází plnou elektrickou otáčkou. Každá kombinace odpovídá specifickému 60° sektoru a regulátor používá vyhledávací tabulku k rozhodnutí, které dvě ze tří fází by měly být pro daný sektor napájeny. Jak rotor postupuje do dalšího sektoru, Hallův vzor se mění, ovladač se přepne na další pár vinutí a rotující magnetické pole táhne rotor dopředu – šest diskrétních kroků na elektrický cyklus, známé jako lichoběžníková nebo šestikroková komutace.

To je také důvod, proč na Hallových senzorech záleží nejvíce při stání a nízké rychlosti. Regulátor spoléhající na back-EMF nemá co číst, dokud se motor již netočí dostatečně rychle, aby generoval použitelný signál; Motor vybavený Hallem hlásí svou polohu od okamžiku, kdy je připojeno napájení, což je důvod, proč senzorové konstrukce startují čistě pod zatížením bez hádání v otevřené smyčce.

Typy snímačů Hallova jevu

Ne všechny Hallovy snímače se chovají stejně a na rozdílu záleží při specifikaci motoru nebo při odstraňování problémů s motorem.

• Digitální unipolární senzory zapnout, když některý z magnetických pólů projde poblíž, a vypnout, jakmile pole klesne. Jsou jednoduché a levné, ale méně časté v BLDC komutaci, protože nerozlišují polaritu pólů tak čistě.
• Digitální bipolární (záchytné) snímače zapněte v přítomnosti jednoho pólu a vypněte pouze tehdy, když dorazí opačný pól, přičemž jejich stav zůstane mezi nimi. Toto chování západky poskytuje čisté, opakovatelné přechody a je standardní volbou pro komutaci BLDC.
• Analogové (lineární) snímače na výstupu je spíše napětí úměrné síle pole než jednoduchý signál zapnutí/vypnutí. Používají se méně často pro základní komutaci, ale objevují se v aplikacích vyžadujících jemnější rozlišení polohy pomocí interpolace.

Kritéria výběru klíčů

Výběr Hallova senzoru – nebo vyhodnocení senzoru, který je již zabudován do motoru – závisí na několika parametrech, které přímo ovlivňují přesnost komutace a účinnost motoru.

Hlubší technický rozpis těchto parametrů, včetně toho, jak jsou hodnoty BOP a BRP čteny z datového listu, je k dispozici v tomto Průvodce výběrem senzorů s Hallovým efektem od společnosti Portescap .

Sensored vs. Sensorless BLDC Control

Hallovy senzory nejsou jediným způsobem, jak komutovat BLDC motor, a alternativa – bezsenzorové řízení založené na zpětném EMF – vyměňuje jednu sadu silných stránek za jinou.

Motory se snímači poskytují spolehlivý rozběhový moment při zatížení, protože poloha je známá i při nulových otáčkách, a dobře se drží v aplikacích s častými starty, zastavováními nebo změnami směru. Cena je další kabeláž – obvykle pětivodičový svazek – a jedna další součást, která může selhat v důsledku tepla, vibrací nebo špatného konektoru. Bezsenzorové řízení zcela eliminuje toto zapojení a související bod selhání, ale nemůže určit polohu rotoru, dokud se motor již neotáčí dostatečně rychle na to, aby generoval detekovatelné zpětné EMF, což znamená spouštěcí rampu s otevřenou smyčkou, než převezme řízení s uzavřenou smyčkou.

Pro motory, které běží nepřetržitě střední až vysokou rychlostí – ventilátory, čerpadla, pohon dronů – jsou často praktičtější volbou bezsenzorové konstrukce. Pro cokoli, co vyžaduje spolehlivý točivý moment při rozjezdu – přímé zdvihy, polohování ve stylu serva, motory nábojů elektrokol odjíždějících ze zastávky na kopci – zůstávají Hallovy senzory bezpečnější sázkou. Tento kompromis je v tomto srovnání prozkoumán hlouběji bezsenzorové řízení bezkomutátorového motoru se senzorem a Hallovým efektem a tento přehled jak BLDC regulátory motoru zvládají komutaci v širším měřítku .

Diagnostika běžných poruch Hallova snímače

Motor, který škube, zastavuje se při startu nebo běží pouze jedním směrem před vypnutím, vykazuje klasické příznaky problému Hallova snímače spíše než závadu vinutí.

• Chybějící signál na jednom kanálu: jeden vadný snímač vytváří neplatnou kombinaci stavů, kterou většina řídicích jednotek označí jako poruchu, místo aby se pokusila o nesprávnou komutaci.
• Hrubé nebo trhavé otáčení při nízké rychlosti: často ukazuje na nevyrovnaný snímač nebo snímač, který je vychýlen ze správné úhlové polohy vzhledem k magnetům rotoru.
• Motor se točí špatným směrem nebo se okamžitě zastaví: může indikovat prohození dvou Hallových vodičů během opravy nebo připojení snímače k nesprávné referenční fázi.
• Přerušované vypínání při vibracích: spíše výrazná známka prasklého pájeného spoje nebo uvolněného konektoru než samotného vadného snímače.

Multimetr na 5V napájecím a uzemňovacím kolíku snímače potvrzuje, že napájení dosahuje na desku snímače; kontrola každého signálního vodiče proti zemi při pomalém ručním otáčení hřídele by měla vykazovat čisté přechody mezi vysokým a nízkým napětím při průchodu každého pólu magnetu. Signál, který se nikdy nemění nebo který nepravidelně bliká, ukazuje spíše na konkrétní snímač nebo jeho zapojení než na ovladač.

Přizpůsobení výstupu Hallova senzoru vašemu ovladači motoru

Motor vybavený Hallem je jen polovinou rovnice – ovladač na druhém konci tohoto pětivodičového svazku musí číst stejné logické úrovně a očekávat stejné uspořádání senzorů.

Před spárováním motoru a ovladače se ujistěte, že napájecí napětí Hall odpovídá tomu, co výstupy ovladače – 5V a 3,3V logika nejsou zaměnitelné bez posunovače úrovně – a že rozhraní snímače polohy ovladače je nakonfigurováno pro Hallův vstup spíše než signály kodéru nebo resolveru. Regulátory, které podporují více metod snímání, zde nabízejí flexibilitu; a Řídicí jednotka motoru BLDC s vysokou kompatibilitou řady R2 , například pracuje s motory se snímači Hallova jevu i bezsenzorovými motory, což zjednodušuje výměnu mezi typy motorů bez změny hardwaru. Návod k přizpůsobení konkrétních modelů ovladačů specifikacím motorů vybavených Hallem naleznete zde reference párování ovladače a motoru prochází parametry, které je třeba zarovnat. Plný Řada regulátorů motoru BLDC pokrývá řadu napěťových a proudových tříd pro motory různých velikostí.