hogyan működik a Hall effektus érzékelő bldc motoron: Gyakorlati alkalmazások, Kiválasztás

Ha valaha kinyitott egy kefe nélküli egyenáramú (BLDC) motort, vagy tanulmányozta a meghajtó elektronikáját, valószínűleg három kis Hall-effektus érzékelőt vett észre a forgórész közelében. Könnyen figyelmen kívül hagyhatók, mégis a motorvezérlés legfontosabb alkatrészei közé tartoznak. Ebben az útmutatóban elmagyarázzuk, hogyan működik a Hall-effektus érzékelő egy BLDC motorban, miért van rá szüksége a motornak, és mi történik, ha az érzékelő jele eléri a vezérlőt.

A Hongyang Motornál több mint három évtizedet töltöttünk a gyártással kefe nélküli egyenáramú motorok és egyéb mikromotoros megoldások. A Hall-szenzor lehet apró alkatrész, de a hatékonyságra és a zavartalan működésre gyakorolt hatása jelentős.

Mi az a Hall-effektus érzékelő?

A Hall-effektus egy 1879-ben felfedezett fizikai jelenség. Amikor egy vékony vezetőn vagy félvezetőn áram folyik át, és az áramra merőleges mágneses mezőt alkalmaznak, a mozgó töltések eltérnek. Ez kis feszültséget hoz létre az anyagon, merőlegesen mind az áramra, mind a mágneses térre. A Hall-effektus érzékelő egyszerűen egy olyan eszköz, amely ezt a feszültséget méri, és logikai jellé alakítja.

A BLDC motorban az érzékelő a rotor közelében van elhelyezve. Ahogy a forgórész állandó mágnesei áthaladnak az érzékelőn, a változó mágneses tér átkapcsolja az érzékelő kimenetét. A vezérlő ekkor meg tudja mondani, hogy északi vagy déli pólus van a közelben.

Miért van szüksége egy BLDC motornak a rotor helyzetérzékelésére?

A mechanikus kommutátorral ellátott kefés motorokkal ellentétben a BLDC motorok elektronikus kommutációra támaszkodnak. Az állórész tekercseit pontos sorrendben kell feszültség alá helyezni, és ennek a sorrendnek az időzítése a forgórész helyzetétől függ. Ha a vezérlő rossz tekercset kapcsol be, a motor nem generál hasznos nyomatékot. Ehelyett elakadhat, rezeghet vagy túlmelegedhet.

A Hall érzékelők ezt a problémát úgy oldják meg, hogy valós idejű visszajelzést adnak a vezérlőnek arról, hogy hol van a rotor. Három érzékelő elegendő hat kommutációs állapot meghatározásához, ami megfelel a legtöbb háromfázisú BLDC motorban használt szabványos hatlépéses kommutációs mintának.

Hogyan vannak elrendezve a Hall-érzékelők és hogyan működnek együtt

Egy tipikus háromfázisú BLDC motorban három Hall-érzékelő van egymástól 60 fokos távolságra. Egyes tervek 120 fokos távolságot használnak, de a koncepció ugyanaz marad. Az érzékelőket általában a motor végén, a rotor mágnesgyűrűje mögé szerelik fel egy kis érzékelőlapra. Mindegyik szenzor a mágneses teret magasnak vagy alacsonynak olvassa, attól függően, hogy a felé néző pólus északi vagy déli.

A három jel együtt egy 3 bites kódot alkot. Mivel minden elektromos ciklusnak hat 60 fokos szegmense van, a nyolc lehetséges állapotból csak hat kerül felhasználásra. Az alábbi táblázat egy általános leképezést mutat be; a pontos minta az érzékelő elhelyezésével és a motortekercselés konfigurációjával változhat.

Egyszerűsített Hall-érzékelő állapotminták hatlépéses kommutációhoz.
H1	H2	H3	A rotor helyzete (kb.)	A tekercsek feszültség alatt vannak
0	0	1	0°–60°	A → B
0	1	1	60°-120°	A → C
0	1	0	120°-180°	B → C
1	1	0	180°-240°	B → A
1	0	0	240°-300°	C → A
1	0	1	300°–360°	C → B

Amint a vezérlő állapotváltozást észlel, tudja, hogy a rotor 60 elektromos fokkal elmozdult. Ezután átkapcsolja az inverter tranzisztorait a következő lépésre, miközben az állórész mezőt a forgórész előtt tartja. Ezért nevezik az elrendezést néha hatlépéses vagy trapézkommutációnak.

Lépésről lépésre: Hogyan vezérli a Hall-érzékelő a motort

A rotor mágnes pólusai a három Hall érzékelő előtt haladnak el.
Mindegyik érzékelő magas vagy alacsony jelet ad ki az alatta lévő polaritástól függően.
A három kimenet 3 bites állapotba egyesül.
A vezérlő megkeresi ezt az állapotot a kommutációs táblázatában.
Átkapcsolja a háromfázisú invertert, hogy a megfelelő állórész-tekercspárt feszültség alá helyezze.
Az állórész mező előrehalad, a rotort a következő pozícióba húzza.
A folyamat megismétlődik, folyamatos forgást hozva létre.

A Hall jelnek tisztának és helyesen időzítettnek kell lennie. Még az érzékelő pozíciójának kis eltolása is okozhatja a vezérlő korai vagy késői kapcsolását, ami csökkenti a hatékonyságot és növeli a zajt.

Hall-érzékelők vs. érzékelő nélküli vezérlés: mit válasszunk

Az érzékelő nélküli BLDC vezérlés a forgórész helyzetét a tápellátás nélküli tekercsben generált hátsó elektromotoros erőből becsüli meg. Kiküszöböli a Hall-érzékelőket, ami csökkenti a költségeket és leegyszerűsíti az összeszerelést. A back-EMF azonban nem érhető el, ha a motor le van állítva, így az érzékelő nélküli indítás általában bonyolultabb és kevésbé robusztus nagy terhelés esetén.

Hall érzékelők: pontos pozíció nulla sebességnél, simább indítás, egyszerűbb hangolás.
Érzékelő nélküli: kevesebb alkatrész, alacsonyabb költség, jó nagy sebességű és tiszta környezetben.

Alkalmazások, mint pl ipari robotok , orvosi berendezések és drónok gyakran a Hall-érzékelős kialakításokat részesítik előnyben, mivel álló helyzetből kiszámítható nyomatékra van szükségük. A ventilátorok és szivattyúk viszont érzékelő nélkül működhetnek a rendszerköltség csökkentése érdekében.

Amit a Hall-érzékelős BLDC motorok gyártása során tanultunk

A mikromotorok gyártásának több mint 30 éve során azt tapasztaltuk, hogy a Hall-érzékelő elhelyezése a gyártás egyik leginkább részletérzékeny lépése. Az érzékelőket az állórész réseivel és a forgórész mágneseivel összhangban kell beállítani. Az érzékelő eltolódása, a forrasztás minősége és még a ragasztó vastagsága is befolyásolhatja az időzítést. A jó tervezés és folyamatszabályozás különbséget tesz a csendes, hatékony motor és a zúgó vagy nyomatékvesztést végző motor között.

Jó példa a drón meghajtás. A drónmotornak azonnali reagálásra van szüksége, ha a pilóta gázt vált, és habozás nélkül el kell indulnia. Ezért tervezzük kefe nélküli egyenáramú motorunkat drónokhoz, jól elhelyezett Hall érzékelőkkel és hozzáillő driver panellel. Ha BLDC motort választ egy kompakt, nagy teljesítményű termékhez, a Hall érzékelősémának az értékelés részét kell képeznie, nem pedig utólagos elgondolásnak.

Záró gondolatok

A Hall-effektus érzékelők praktikus hidat képeznek a forgórész fizikai helyzete és az elektronikus vezérlő között egy BLDC motorban. Megbízhatóvá teszik a hatlépéses kommutációt, különösen alacsony fordulatszámon és terhelés alatt. Függetlenül attól, hogy drónhoz, robothoz vagy intelligens készülékhez tervez motort, ezeknek az érzékelőknek a működésének megértése segít alaposabban értékelni a motortervezést, és feltenni a megfelelő kérdéseket, mielőtt beszállítót választana.