Czujnik Halla BLDC: jak to działa, typy i przewodnik rozwiązywania problemów

Co to jest czujnik Halla w silniku BLDC

Zdejmij zaślepkę z większości bezszczotkowych silników prądu stałego, a znajdziesz trzy maleńkie elementy skupione w pobliżu uzwojeń, każdy niewiele większy od ziarnka ryżu. Są to czujniki Halla i bez nich — lub substytutu, takiego jak wykrywanie wstecznego pola elektromagnetycznego — silnik nie jest w stanie wiedzieć, w którą stronę pchać.

Czujnik Halla wykrywa pola magnetyczne za pomocą efektu Halla: gdy pole magnetyczne przechodzi prostopadle do elementu przewodzącego prąd, wypycha nośniki ładunku na bok, wytwarzając mierzalne napięcie. W silniku BLDC trzy z tych czujników są umieszczone na stojanie w pobliżu strony nienapędzającej, ustawione w taki sposób, że magnesy trwałe wirnika omijają je, gdy wał się obraca. Każdy czujnik przełącza się w stan wysoki lub niski w zależności od tego, czy w pobliżu znajduje się biegun północny czy południowy, a kombinacja wszystkich trzech sygnałów informuje sterownik dokładnie, gdzie w danym momencie znajduje się wirnik — nawet gdy silnik się nie porusza.

Jak czujniki Halla sterują komutacją

Trójfazowy silnik BLDC wymaga przełączania prądu uzwojenia w odpowiedniej kolejności, aby wirnik mógł się obracać – jest to proces zwany komutacją. Czujniki Halla umożliwiają to, dając sterownikowi bezpośredni odczyt położenia wirnika, zamiast zmuszać go do pośredniego wnioskowania o położeniu.

Dzięki trzem czujnikom rozmieszczonym wokół stojana magnesy wirnika wytwarzają jedną z sześciu możliwych kombinacji wysokiego/niskiego poziomu, gdy przechodzi on przez pełny obrót elektryczny. Każda kombinacja odpowiada konkretnemu sektorowi 60°, a sterownik korzysta z tabeli przeglądowej, aby zdecydować, które dwie z trzech faz powinny być zasilane dla tego sektora. Gdy wirnik przechodzi do następnego sektora, wzór Halla ulega zmianie, sterownik przełącza się na następną parę uzwojeń, a wirujące pole magnetyczne ciągnie wirnik do przodu — sześć dyskretnych kroków na cykl elektryczny, znanych jako komutacja trapezowa lub sześciostopniowa.

Z tego też powodu czujniki Halla mają największe znaczenie podczas postoju i przy niskiej prędkości. Sterownik wykorzystujący wsteczne pole elektromagnetyczne nie ma nic do odczytania, dopóki silnik nie zacznie kręcić się wystarczająco szybko, aby wygenerować użyteczny sygnał; Silnik wyposażony w funkcję Halla zgłasza swoje położenie od momentu włączenia zasilania, dlatego konstrukcje z czujnikami uruchamiają się płynnie pod obciążeniem, bez zgadywania otwartej pętli.

Rodzaje czujników Halla

Nie wszystkie czujniki Halla zachowują się w ten sam sposób, a rozróżnienie ma znaczenie przy określaniu specyfikacji silnika lub rozwiązywaniu problemów.

• Cyfrowe czujniki unipolarne włącza się, gdy którykolwiek z biegunów magnetycznych przechodzi w pobliżu i wyłącza, gdy pole opadnie. Są proste i niedrogie, ale mniej powszechne w komutacji BLDC, ponieważ nie rozróżniają tak wyraźnie polaryzacji biegunów.
• Cyfrowe czujniki bipolarne (z zatrzaskiem). włączają się w obecności jednego bieguna i wyłączają dopiero, gdy nadejdzie przeciwny biegun, utrzymując swój stan pomiędzy. To zachowanie zatrzaskowe zapewnia czyste, powtarzalne przejścia i jest standardowym wyborem w przypadku komutacji BLDC.
• Czujniki analogowe (liniowe). generuje napięcie proporcjonalne do natężenia pola, a nie prosty sygnał włączenia/wyłączenia. Są one rzadziej używane do podstawowej komutacji, ale pojawiają się w zastosowaniach wymagających dokładniejszej rozdzielczości pozycji poprzez interpolację.

Kluczowe kryteria wyboru

Wybór czujnika Halla — lub ocena czujnika już wbudowanego w silnik — sprowadza się do kilku parametrów, które bezpośrednio wpływają na dokładność komutacji i wydajność silnika.

W tym miejscu dostępny jest głębszy opis techniczny tych parametrów, w tym sposób odczytu wartości BOP i BRP z arkusza danych Przewodnik po wyborze czujnika Halla firmy Portescap .

Sterowanie czujnikiem i bezczujnikiem BLDC

Czujniki Halla nie są jedynym sposobem komutacji silnika BLDC, a alternatywa — bezczujnikowe sterowanie oparte na tylnym polu elektromagnetycznym — polega na zamianie jednego zestawu mocnych stron na inny.

Silniki z czujnikami zapewniają niezawodny moment rozruchowy pod obciążeniem, ponieważ położenie jest znane nawet przy zerowych obrotach na minutę, i dobrze sprawdzają się w zastosowaniach, w których występują częste rozruchy, zatrzymania lub zmiany kierunku. Kosztem jest dodatkowe okablowanie — zazwyczaj wiązka pięcioprzewodowa — i jeszcze jeden element, który może ulec awarii z powodu wysokiej temperatury, wibracji lub złego złącza. Sterowanie bezczujnikowe całkowicie eliminuje okablowanie i związany z nim punkt awarii, ale nie jest w stanie określić położenia wirnika, dopóki silnik nie zacznie obracać się wystarczająco szybko, aby wygenerować wykrywalne wsteczne pole elektromagnetyczne, co oznacza rampę rozruchową w otwartej pętli, zanim przejmie sterowanie w pętli zamkniętej.

W przypadku silników pracujących w sposób ciągły ze średnią i dużą prędkością – wentylatorów, pomp, napędów dronów – konstrukcje bez czujników są często bardziej praktycznym wyborem. W przypadku wszystkiego, co wymaga niezawodnego momentu obrotowego od startu zatrzymanego – podnośników z napędem bezpośrednim, pozycjonowania w stylu serwomechanizmu, silników w piastach rowerów elektrycznych ruszających od zatrzymania na wzniesieniu – czujniki Halla pozostają bezpieczniejszym wyborem. Ten kompromis został zbadany bardziej szczegółowo w tym porównaniu bezczujnikowe w porównaniu z bezszczotkowym sterowaniem silnikiem z czujnikiem Halla i ten przegląd jak sterowniki silników BLDC szerzej radzą sobie z komutacją .

Diagnozowanie typowych usterek czujnika Halla

Silnik, który szarpie, zatrzymuje się podczas uruchamiania lub pracuje tylko w jednym kierunku przed wyłączeniem, wykazuje klasyczne objawy problemu z czujnikiem Halla, a nie usterki uzwojenia.

• Brak sygnału na jednym kanale: pojedynczy uszkodzony czujnik generuje nieprawidłową kombinację stanów, co większość sterowników oznaczy jako usterkę, zamiast próbować niepoprawną komutację.
• Nierówne lub nierówne obroty przy niskiej prędkości: często wskazuje na źle ustawiony czujnik lub taki, który przesunął się z prawidłowego położenia kątowego względem magnesów wirnika.
• Silnik obraca się w złym kierunku lub natychmiast gaśnie: może wskazywać, że podczas naprawy zamieniono dwa przewody Halla lub czujnik podłączony do niewłaściwej fazy odniesienia.
• Przerywane wyłączenie pod wpływem wibracji: wyraźny znak pękniętego złącza lutowniczego lub poluzowanego złącza, a nie samego uszkodzonego czujnika.

Multimetr na stykach zasilania i uziemienia czujnika 5 V potwierdza, że ​​zasilanie dociera do płytki czujnika; sprawdzenie każdego przewodu sygnałowego względem masy podczas powolnego ręcznego obracania wału powinno wykazać wyraźne przejścia między wysokim i niskim poziomem w miarę przechodzenia każdego bieguna magnesu. Sygnał, który nigdy się nie zmienia lub miga nieregularnie, wskazuje na konkretny czujnik lub jego okablowanie, a nie na sterownik.

Dopasowanie wyjścia czujnika Halla do sterownika silnika

Silnik wyposażony w funkcję Halla to tylko połowa równania — sterownik na drugim końcu pięcioprzewodowej wiązki przewodów musi odczytywać te same poziomy logiczne i oczekiwać tego samego układu czujników.

Przed sparowaniem silnika i sterownika upewnij się, że napięcie zasilania Halla jest zgodne z napięciem wyjściowym sterownika — logika 5 V i 3,3 V nie są wymienne bez przesuwnika poziomu — oraz że interfejs czujnika położenia sterownika jest skonfigurowany dla sygnału wejściowego Halla, a nie sygnałów z enkodera lub rezolwera. Kontrolery obsługujące wiele metod wykrywania zapewniają tutaj elastyczność; the Sterownik silnika BLDC o wysokiej kompatybilności serii R2 , na przykład, współpracuje zarówno z silnikami z czujnikiem Halla, jak i bez czujników, co upraszcza wymianę typów silników bez zmiany sprzętu. Wskazówki dotyczące dopasowywania określonych modeli sterowników do specyfikacji silników wyposażonych w Hall można znaleźć w tym dokumencie Odniesienie do parowania sterownika i silnika przechodzi przez parametry, które wymagają dopasowania. Pełny Oferta sterowników silników BLDC obejmuje zakres klas napięcia i prądu dla silników o różnych rozmiarach.