jak funguje Hallův senzor na bldc motoru: praktické aplikace, výběr

Pokud jste někdy otevřeli bezkomutátorový stejnosměrný (BLDC) motor nebo studovali jeho pohonnou elektroniku, pravděpodobně jste si všimli tří malých senzorů Hallova efektu umístěných poblíž rotoru. Jsou snadno přehlédnutelné, přesto patří mezi nejdůležitější součásti řízení motoru. V této příručce vysvětlíme, jak funguje senzor Hallova efektu v motoru BLDC, proč to motor potřebuje a co se stane, když signál senzoru dosáhne regulátoru.

V Hongyang Motor jsme strávili výrobou více než tři desetiletí bezkomutátorové stejnosměrné motory a další řešení mikromotorů. Hallův senzor je sice nepatrná součástka, ale jeho vliv na účinnost a hladký chod je značný.

Co je to snímač Hallova jevu?

Hallův jev je fyzikální jev objevený v roce 1879. Když proud protéká tenkým vodičem nebo polovodičem a magnetické pole je aplikováno v pravém úhlu k proudu, pohybující se náboje jsou vychylovány. To vytváří malé napětí napříč materiálem, kolmé jak na proud, tak na magnetické pole. Hallův senzor je jednoduše zařízení, které měří toto napětí a převádí ho na logický signál.

U BLDC motoru je snímač umístěn blízko rotoru. Když permanentní magnety na rotoru míjejí senzor, měnící se magnetické pole spíná výstup senzoru. Ovladač pak může zjistit, zda je poblíž severní nebo jižní pól.

Proč BLDC motor potřebuje snímání polohy rotoru

Na rozdíl od kartáčovaného motoru s mechanickým komutátorem spoléhá BLDC motor na elektronickou komutaci. Vinutí statoru musí být buzeno v přesné sekvenci a načasování této sekvence závisí na poloze rotoru. Pokud regulátor nabudí špatné vinutí, motor nebude generovat užitečný točivý moment. Místo toho se může zastavit, vibrovat nebo přehřát.

Hallovy senzory řeší tento problém tím, že dávají regulátoru zpětnou vazbu v reálném čase o tom, kde se rotor nachází. Tři senzory stačí k definování šesti komutačních stavů, což odpovídá standardnímu šestikrokovému komutačnímu vzoru používanému u většiny třífázových BLDC motorů.

Jak jsou Hallovy senzory uspořádány a jak spolupracují

V typickém třífázovém BLDC motoru jsou tři Hallovy senzory od sebe vzdáleny 60 stupňů. Některé návrhy používají 120stupňové rozestupy, ale koncept zůstává stejný. Snímače jsou obvykle namontovány na malé desce snímačů na konci motoru za magnetickým kroužkem rotoru. Každý senzor čte magnetické pole jako vysoké nebo nízké v závislosti na tom, zda je pól obrácený k severu nebo jihu.

Tyto tři signály dohromady tvoří 3bitový kód. Protože každý elektrický cyklus má šest 60stupňových segmentů, je použito pouze šest z osmi možných stavů. Níže uvedená tabulka ukazuje jedno běžné mapování; přesný vzor se může měnit umístěním snímače a konfigurací vinutí motoru.

Zjednodušené vzorce stavu Hallova senzoru pro šestikrokovou komutaci.
H1	H2	H3	Poloha rotoru (přibližně)	Vinutí pod napětím
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

Jakmile ovladač zaznamená změnu stavu, ví, že se rotor posunul o 60 elektrických stupňů. Poté přepne invertorové tranzistory na další krok a udržuje pole statoru před rotorem. To je důvod, proč se uspořádání někdy nazývá šestistupňová nebo lichoběžníková komutace.

Krok za krokem: Jak Hallův senzor řídí motor

Póly magnetu rotoru procházejí před třemi Hallovými senzory.
Každý senzor vysílá vysoký nebo nízký signál v závislosti na polaritě pod ním.
Tyto tři výstupy se spojí do 3bitového stavu.
Regulátor vyhledá tento stav ve své komutační tabulce.
Spíná třífázový měnič, aby napájel správný pár statorových vinutí.
Pole statoru se posune dopředu a přitáhne rotor do další polohy.
Proces se opakuje a vytváří se nepřetržité otáčení.

Hallův signál musí být čistý a správně načasovaný. I malá odchylka v poloze snímače může způsobit předčasné nebo pozdní sepnutí regulátoru, což snižuje účinnost a zvyšuje hluk.

Hallovy senzory vs. bezsenzorové ovládání: Co si vybrat

Bezsenzorové řízení BLDC odhaduje polohu rotoru ze zadní elektromotorické síly generované v nenapájeném vinutí. Eliminuje Hallovy senzory, což snižuje náklady a zjednodušuje montáž. Zpětné EMF však není k dispozici, když je motor zastaven, takže bezsenzorové spouštění je obvykle složitější a méně robustní při velkém zatížení.

Hallovy senzory: přesná poloha při nulové rychlosti, hladší rozběh, jednodušší ladění.
Bezsenzorové: méně komponent, nižší cena, dobré pro vysokorychlostní a čisté prostředí.

Aplikace jako např průmyslové roboty , lékařské vybavení a drony často upřednostňují konstrukce Hallových senzorů, protože potřebují předvídatelný točivý moment z klidu. Na druhou stranu ventilátory a čerpadla mohou pracovat bez senzorů, aby se snížily náklady na systém.

Co jsme se naučili při výrobě BLDC motorů s Hallovým senzorem

Za více než 30 let výroby mikromotorů jsme zjistili, že umístění Hallova senzoru je jedním z nejcitlivějších kroků ve výrobě. Snímače musí být vyrovnány konzistentně s drážkami statoru a magnety rotoru. Posun snímače, kvalita pájky a dokonce i tloušťka lepidla mohou ovlivnit načasování. Dobrý design a řízení procesu dělají rozdíl mezi tichým a účinným motorem a motorem, který hučí nebo ztrácí točivý moment.

Dobrým příkladem je dronový pohon. Motor dronu potřebuje okamžitou reakci, když pilot změní plyn, a musí se bez váhání spustit. Proto navrhujeme náš bezkomutátorový stejnosměrný motor pro drony s dobře umístěnými Hallovými senzory a sladěnou deskou ovladače. Pokud vybíráte BLDC motor pro kompaktní, vysoce výkonný produkt, schéma Hallova senzoru by mělo být součástí vašeho hodnocení, nikoli dodatečným nápadem.

Závěrečné myšlenky

Senzory s Hallovým efektem jsou praktickým mostem mezi fyzickou polohou rotoru a elektronickým ovladačem v BLDC motoru. Díky nim je šestikroková komutace spolehlivá, zejména při nízké rychlosti a při zatížení. Ať už navrhujete motor pro dron, robota nebo chytré zařízení, pochopení toho, jak tyto senzory fungují, vám pomůže pečlivěji vyhodnotit návrh motoru a položit si správné otázky, než si vyberete dodavatele.