BLDC Hall Sensor: Sådan fungerer det, typer og fejlfindingsvejledning

Hvad er en Hall-sensor i en BLDC-motor

Træk endedækslet af de fleste børsteløse jævnstrømsmotorer, og du vil finde tre bittesmå komponenter samlet i nærheden af viklingerne, hver knap større end et riskorn. Det er Hall-sensorerne, og uden dem - eller en erstatning som back-EMF-sensing - har motoren ingen mulighed for at vide, hvilken vej den skal skubbe.

En Hall-sensor detekterer magnetiske felter ved hjælp af Hall-effekten: Når et magnetfelt passerer vinkelret på et strømførende element, skubber det ladningsbærere til den ene side og producerer en målbar spænding. I en BLDC-motor sidder tre af disse sensorer på statoren nær den ikke-drivende ende, placeret så rotorens permanente magneter fejer forbi dem, når akslen drejer. Hver sensor skifter højt eller lavt afhængigt af, om en nord- eller sydpol er i nærheden, og kombinationen af ​​alle tre signaler fortæller controlleren nøjagtigt, hvor rotoren sidder på et hvilket som helst tidspunkt - selv når motoren ikke bevæger sig.

Hvordan Hall-sensorer driver kommutering

En trefaset BLDC-motor skal skifte viklingsstrøm i den rigtige rækkefølge for at holde rotoren i gang - en proces kaldet kommutering. Hall-sensorer gør dette muligt ved at give styreenheden en direkte udlæsning af rotorpositionen i stedet for at tvinge den til indirekte at udlede positionen.

Med tre sensorer placeret rundt om statoren, producerer rotorens magneter en af ​​seks mulige høj/lav kombinationer, når den passerer gennem en fuld elektrisk omdrejning. Hver kombination svarer til en specifik 60°-sektor, og controlleren bruger en opslagstabel til at bestemme, hvilke to af de tre faser, der skal aktiveres for den sektor. Efterhånden som rotoren bevæger sig ind i den næste sektor, ændres Hall-mønsteret, controlleren skifter til det næste viklingspar, og det roterende magnetfelt trækker hele tiden rotoren fremad - seks diskrete trin pr. elektrisk cyklus, kendt som trapezformet eller seks-trins kommutering.

Det er også derfor, Hall-sensorer betyder mest ved stilstand og lav hastighed. En controller, der er afhængig af back-EMF, har intet at læse, før motoren allerede roterer hurtigt nok til at generere et brugbart signal; en Hall-udstyret motor rapporterer sin position fra det øjeblik, strømmen tilføres, hvilket er grunden til, at sensorede designs starter rent under belastning uden åben sløjfe-gætning.

Typer af Hall-effektsensorer

Ikke alle Hall-sensorer opfører sig på samme måde, og forskellen har betydning, når du specificerer eller fejlfinder en motor.

• Digitale unipolære sensorer tænd, når en af magnetpolerne passerer i nærheden, og sluk, når feltet falder væk. De er enkle og billige, men mindre almindelige i BLDC-kommutering, fordi de ikke skelner mellem polaritet så rent.
• Digitale bipolære (låsende) sensorer tænder i nærværelse af en pol og slukker først, når den modsatte pol ankommer - holder deres tilstand imellem. Denne låseadfærd giver rene, repeterbare overgange og er standardvalget til BLDC-kommutering.
• Analoge (lineære) sensorer udsende en spænding proportional med feltstyrken i stedet for et simpelt tænd/sluk-signal. De bruges sjældnere til grundlæggende kommutering, men dukker op i applikationer, der kræver finere positionsopløsning gennem interpolation.

Nøglevalgskriterier

At vælge en Hall-sensor - eller at evaluere en, der allerede er indbygget i en motor - kommer ned til en håndfuld parametre, der direkte påvirker kommuteringsnøjagtigheden og motoreffektiviteten.

En dybere teknisk opdeling af disse parametre, herunder hvordan BOP- og BRP-værdier læses fra et datablad, er tilgængelig i dette Hall-effekt sensor valgguide fra Portescap .

Sensoreret vs sensorløs BLDC-kontrol

Hall-sensorer er ikke den eneste måde at kommutere en BLDC-motor på, og alternativet - sensorløs, back-EMF-baseret kontrol - bytter et sæt styrker ud med et andet.

Sensorede motorer leverer pålideligt startmoment under belastning, da position er kendt selv ved nul omdrejninger, og de holder sig godt i applikationer med hyppige start, stop eller retningsændringer. Omkostningerne er ekstra ledninger - typisk en fem-leder sele - og en komponent mere, der kan svigte på grund af varme, vibrationer eller et dårligt stik. Sensorløs styring eliminerer ledningerne og det tilhørende fejlpunkt fuldstændigt, men den kan ikke bestemme rotorpositionen, før motoren allerede drejer hurtigt nok til at generere detekterbar tilbage-EMF, hvilket betyder en opstartsrampe med åben sløjfe, før kontrol med lukket sløjfe tager over.

For motorer, der kører kontinuerligt ved moderat til høj hastighed - ventilatorer, pumper, dronefremdrift - er sensorløse design ofte det mere praktiske valg. For alt, der har brug for pålideligt drejningsmoment fra en stående start - direkte-drevne lifte, servo-stil positionering, e-bike navmotorer, der trækker væk fra et stop på en bakke - Hall-sensorer forbliver det sikreste bud. Denne afvejning udforskes mere i dybden i denne sammenligning af sensorløs versus Hall-effekt sensoreret børsteløs motorstyring , og denne oversigt over hvordan BLDC-motorstyringer håndterer kommutering mere bredt .

Diagnosticering af almindelige hallsensorfejl

En motor, der rykker, går i stå ved opstart eller kun kører i én retning, før den slukkes, viser klassiske symptomer på et Hall-sensorproblem snarere end en viklingsfejl.

• Manglende signal på én kanal: en enkelt fejlbehæftet sensor producerer en ugyldig tilstandskombination, som de fleste controllere vil markere som en fejl i stedet for at forsøge at kommutere forkert.
• Grov eller rykvis rotation ved lav hastighed: peger ofte på en fejljusteret sensor eller en, der er drevet ud af sin korrekte vinkelposition i forhold til rotormagneterne.
• Motoren drejer i den forkerte retning eller går i stå med det samme: kan indikere to Hall-ledninger byttet under en reparation, eller en sensor tilsluttet den forkerte fasereference.
• Intermitterende udkobling under vibration: et stærkt tegn på en revnet loddeforbindelse eller et stik, der fungerer løs i stedet for en svigtende sensor selv.

Et multimeter på sensorens 5V-forsyning og jordstifter bekræfter, at strømmen når sensorkortet; kontrol af hver signaltråd mod jord, mens du langsomt roterer akslen med hånden, bør vise rene overgange mellem høj og lav, når hver magnetpol passerer. Et signal, der aldrig ændrer sig, eller som flimrer uregelmæssigt, peger på den specifikke sensor eller dens ledninger i stedet for controlleren.

Matchende Hall-sensoroutput til din motorcontroller

En Hall-udstyret motor er kun halvdelen af ligningen - controlleren i den anden ende af den fem-leder sele skal læse de samme logiske niveauer og forvente det samme sensorarrangement.

Før du parrer en motor og controller, skal du kontrollere, at Hall-forsyningsspændingen matcher det, som controlleren udsender - 5V og 3,3V logik kan ikke udskiftes uden en niveauskifter - og at controllerens positionssensorgrænseflade er konfigureret til Hall-input i stedet for encoder- eller resolversignaler. Controllere, der understøtter flere registreringsmetoder, tilbyder fleksibilitet her; den R2 serie højkompatibilitet BLDC motorcontroller fungerer for eksempel med både Hall-effekt sensorede og sensorløse motorer, hvilket forenkler skift mellem motortyper uden at ændre hardware. For vejledning om at matche specifikke controller-modeller til Hall-udstyrede motorspecifikationer, dette controller og motorparringsreference går igennem de parametre, der skal tilpasses. Den fulde BLDC motorcontroller lineup dækker en række spændings- og strømklasser for motorer af forskellige størrelser.