kuinka hall-efekti-anturi toimii bldc-moottorissa: Käytännön sovellukset, valinta

Jos olet joskus avannut harjattoman DC (BLDC) -moottorin tai tutkinut sen käyttöelektroniikkaa, olet todennäköisesti huomannut kolme pientä Hall-efektianturia istuvan roottorin lähellä. Ne on helppo jättää huomiotta, mutta silti ne ovat moottorin ohjauksen tärkeimpiä komponentteja. Tässä oppaassa selitämme, kuinka Hall-anturi toimii BLDC-moottorissa, miksi moottori tarvitsee sitä ja mitä tapahtuu, kun anturin signaali saavuttaa säätimen.

Olemme Hongyang Motorissa käyttäneet yli kolme vuosikymmentä tuotannossa harjattomat tasavirtamoottorit ja muut mikromoottoriratkaisut. Hall-anturi voi olla pieni osa, mutta sen vaikutus tehokkuuteen ja sujuvaan toimintaan on merkittävä.

Mikä on Hall-efektin anturi?

Hall-ilmiö on fysikaalinen ilmiö, joka löydettiin vuonna 1879. Kun virta kulkee ohuen johtimen tai puolijohteen läpi ja magneettikenttä kohdistetaan suorassa kulmassa virtaan nähden, liikkuvat varaukset poikkeavat. Tämä luo materiaaliin pienen jännitteen, joka on kohtisuorassa sekä virran että magneettikentän suhteen. Hall-anturi on yksinkertaisesti laite, joka mittaa tämän jännitteen ja muuntaa sen loogiseksi signaaliksi.

BLDC-moottorissa anturi on sijoitettu roottorin lähelle. Kun roottorin kestomagneetit ohittavat anturin, muuttuva magneettikenttä vaihtaa anturin lähtöä. Ohjain voi sitten kertoa, onko lähellä pohjoisnapa vai etelänapa.

Miksi BLDC-moottori tarvitsee roottorin asennon tunnistuksen

Toisin kuin harjattu moottori mekaanisella kommutaattorilla, BLDC-moottori perustuu elektroniseen kommutointiin. Staattorin käämit on saatava jännitteiseksi tarkassa järjestyksessä, ja sen ajoitus riippuu roottorin asennosta. Jos säädin syöttää väärän käämin, moottori ei tuota hyödyllistä vääntömomenttia. Sen sijaan se voi jumittua, täristä tai ylikuumentua.

Hall-anturit ratkaisevat tämän ongelman antamalla säätimelle reaaliaikaista palautetta roottorin sijainnista. Kolme anturia riittää määrittelemään kuusi kommutointitilaa, mikä vastaa useimmissa kolmivaiheisissa BLDC-moottoreissa käytettyä standardia kuusivaiheista kommutointikuviota.

Kuinka Hall-anturit järjestetään ja miten ne toimivat yhdessä

Tyypillisessä kolmivaiheisessa BLDC-moottorissa kolme Hall-anturia on sijoitettu 60 sähköasteen etäisyydelle toisistaan. Jotkut mallit käyttävät 120 asteen etäisyyttä, mutta konsepti pysyy samana. Anturit asennetaan yleensä pienelle anturilevylle moottorin päähän, roottorin magneettirenkaan taakse. Jokainen anturi lukee magneettikentän korkeaksi tai matalaksi sen mukaan, onko sitä päin oleva napa pohjoisessa vai etelässä.

Nämä kolme signaalia muodostavat yhdessä 3-bittisen koodin. Koska jokaisessa sähkösyklissä on kuusi 60 asteen segmenttiä, käytetään vain kuutta kahdeksasta mahdollisesta tilasta. Alla olevassa taulukossa on yksi yleinen kartoitus; tarkka kuvio voi muuttua anturin sijainnin ja moottorin käämityksen mukaan.

Yksinkertaistetut Hall-anturin tilamallit kuusivaiheista kommutointia varten.
H1	H2	H3	Roottorin asento (noin)	Käämit jännitteellä
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

Kun säädin näkee muutoksen tilassa, se tietää, että roottori on liikkunut 60 sähköastetta. Sitten se vaihtaa invertteritransistorit seuraavaan vaiheeseen pitäen staattorikentän roottorin edellä. Tästä syystä järjestelyä kutsutaan joskus kuusivaiheiseksi tai puolisuunnikkaan kommutaatioksi.

Vaihe vaiheelta: Kuinka Hall-anturi ohjaa moottoria

Roottorin magneettinapat kulkevat kolmen Hall-anturin edestä.
Jokainen anturi lähettää korkean tai matalan signaalin alla olevan napaisuuden mukaan.
Kolme lähtöä yhdistyvät 3-bittiseksi tilaan.
Ohjain etsii tämän tilan kommutointitaulukostaan.
Se kytkee kolmivaiheisen invertterin virran kytkemiseksi oikeaan staattorikäämipariin.
Staattorikenttä etenee ja vetää roottorin seuraavaan asentoon.
Prosessi toistuu luoden jatkuvan pyörimisen.

Hall-signaalin tulee olla puhdas ja oikein ajoitettu. Pienikin poikkeama anturin asennossa voi saada säätimen kytkeytymään aikaisin tai myöhään, mikä heikentää tehokkuutta ja lisää melua.

Hall-anturit vs. anturiton ohjaus: mitä valita

Anturiton BLDC-ohjaus arvioi roottorin asennon tehottoman käämin syntyneen takasähkömotorisen voiman perusteella. Se eliminoi Hall-anturit, mikä vähentää kustannuksia ja yksinkertaistaa kokoonpanoa. Taka-EMF ei kuitenkaan ole käytettävissä, kun moottori on pysäytetty, joten anturiton käynnistys on yleensä hankalampaa ja vähemmän kestävää raskaassa kuormituksessa.

Hall-anturit: tarkka sijainti nollanopeudella, pehmeämpi käynnistys, yksinkertaisempi viritys.
Anturiton: vähemmän komponentteja, alhaisemmat kustannukset, hyvä nopeisiin ja puhtaisiin ympäristöihin.

Sovellukset, kuten teollisuusrobotit , lääketieteelliset laitteet ja droonit suosivat usein Hall-anturimalleja, koska ne tarvitsevat ennustettavan vääntömomentin pysähdyksissä. Tuulettimet ja pumput voivat toisaalta toimia ilman anturia järjestelmän kustannusten alentamiseksi.

Mitä olemme oppineet valmistamalla Hall-sensorin BLDC-moottoreita

Yli 30 vuoden aikana mikromoottoreiden valmistuksessa olemme havainneet, että Hall-anturin sijoittaminen on yksi yksityiskohtia herkimmistä vaiheista tuotannossa. Anturit on kohdistettava johdonmukaisesti staattorin rakojen ja roottorin magneettien kanssa. Anturin ajautuminen, juotteen laatu ja jopa liiman paksuus voivat vaikuttaa ajoitukseen. Hyvä suunnittelu ja prosessinhallinta tekevät eron hiljaisen, tehokkaan moottorin ja humisevan tai vääntömomentin menettäneen moottorin välillä.

Drone propulsio on hyvä esimerkki. Drone-moottori tarvitsee välitöntä reagointia, kun ohjaaja vaihtaa kaasua, ja sen on käynnistettävä epäröimättä. Siksi suunnittelemme harjattoman tasavirtamoottorimme droneille hyvin sijoitetuilla Hall-antureilla ja yhteensopivalla ohjainlevyllä. Jos valitset BLDC-moottorin kompaktille, tehokkaalle tuotteelle, Hall-anturijärjestelmän tulisi olla osa arviointiasi, ei jälkikäteen.

Loppuajattelua

Hall-anturit ovat käytännöllinen silta fyysisen roottorin asennon ja elektronisen ohjaimen välillä BLDC-moottorissa. Ne tekevät kuusivaiheisesta kommutaatiosta luotettavan, erityisesti alhaisella nopeudella ja kuormitettuna. Suunnitteletpa moottoria dronille, robotille tai älylaitteelle, näiden antureiden toiminnan ymmärtäminen auttaa sinua arvioimaan moottorin suunnittelua tarkemmin ja kysymään oikeat kysymykset ennen toimittajan valintaa.