Датчик Холла BLDC: как он работает, типы и руководство по устранению неполадок

Что такое датчик Холла в двигателе BLDC

Снимите торцевую крышку с большинства бесщеточных двигателей постоянного тока, и вы обнаружите три крошечных компонента, сгруппированных возле обмоток, каждый из которых едва превышает размер рисового зернышка. Это датчики Холла, и без них – или их заменителей, таких как датчик обратной ЭДС – двигатель не сможет определить, в какую сторону толкать.

Датчик Холла обнаруживает магнитные поля, используя эффект Холла: когда магнитное поле проходит перпендикулярно токоведущему элементу, оно отталкивает носители заряда в одну сторону, создавая измеримое напряжение. В двигателе BLDC три таких датчика расположены на статоре рядом с неведущим концом и расположены так, чтобы постоянные магниты ротора проходили мимо них при вращении вала. Каждый датчик переключается на высокий или низкий уровень в зависимости от того, северный или южный полюс находится поблизости, а комбинация всех трех сигналов сообщает контроллеру, где именно находится ротор в любой момент — даже когда двигатель не движется.

Как датчики Холла влияют на коммутацию

Трехфазному двигателю BLDC необходимо, чтобы ток обмотки переключался в правильной последовательности, чтобы ротор продолжал вращаться — этот процесс называется коммутацией. Датчики Холла делают это возможным, предоставляя контроллеру прямое считывание положения ротора, а не заставляя его делать это косвенно.

Благодаря трем датчикам, расположенным вокруг статора, магниты ротора создают одну из шести возможных комбинаций высокого/низкого значения во время полного электрического оборота. Каждая комбинация соответствует определенному сектору 60°, и контроллер использует справочную таблицу, чтобы решить, какие две из трех фаз должны быть под напряжением для этого сектора. По мере продвижения ротора в следующий сектор картина Холла меняется, контроллер переключается на следующую пару обмоток, а вращающееся магнитное поле продолжает тянуть ротор вперед — шесть дискретных шагов за электрический цикл, известные как трапециевидная или шестиступенчатая коммутация.

Именно поэтому датчики Холла имеют наибольшее значение в состоянии покоя и на низкой скорости. Контроллеру, полагающемуся на обратную ЭДС, нечего считывать до тех пор, пока двигатель не начнет вращаться достаточно быстро, чтобы генерировать полезный сигнал; двигатель, оборудованный Холлом, сообщает о своем положении с момента подачи питания, поэтому конструкции с датчиками запускаются без ошибок под нагрузкой без угадывания в разомкнутом контуре.

Типы датчиков Холла

Не все датчики Холла ведут себя одинаково, и это различие имеет значение при определении характеристик двигателя или устранении неисправностей.

• Цифровые униполярные датчики включаться, когда один из магнитных полюсов проходит рядом, и выключаться, когда поле пропадает. Они просты и недороги, но менее распространены в коммутации BLDC, поскольку не так четко различают полярность полюсов.
• Цифровые биполярные (фиксирующиеся) датчики включаться при наличии одного полюса и выключаться только при приходе противоположного полюса — удерживая свое состояние между ними. Такое поведение фиксации обеспечивает чистые, повторяемые переходы и является стандартным выбором для коммутации BLDC.
• Аналоговые (линейные) датчики выводит напряжение, пропорциональное напряженности поля, а не простой сигнал включения/выключения. Они используются реже для базовой коммутации, но появляются в приложениях, требующих более точного разрешения положения посредством интерполяции.

Ключевые критерии выбора

Выбор датчика Холла — или оценка уже встроенного в двигатель — сводится к нескольким параметрам, которые напрямую влияют на точность коммутации и эффективность двигателя.

Более подробная техническая информация об этих параметрах, в том числе о том, как значения BOP и BRP считываются из таблицы данных, доступна в этом документе. Руководство по выбору датчика Холла от Portescap .

Сенсорное и безсенсорное управление BLDC

Датчики Холла — не единственный способ коммутировать двигатель BLDC, и альтернатива — бездатчиковое управление на основе обратной ЭДС — меняет один набор сильных сторон на другой.

Двигатели с датчиками обеспечивают надежный пусковой момент под нагрузкой, поскольку положение известно даже при нулевых оборотах в минуту, и они хорошо работают в приложениях с частыми пусками, остановками или сменой направления. Затраты — дополнительная проводка (обычно пятижильный жгут) и еще один компонент, который может выйти из строя из-за тепла, вибрации или плохого разъема. Бездатчиковое управление полностью устраняет эту проводку и связанную с ней точку отказа, но оно не может определить положение ротора до тех пор, пока двигатель не начнет вращаться достаточно быстро, чтобы генерировать обнаруживаемую противо-ЭДС, что означает рампу запуска с разомкнутым контуром до того, как управление с обратной связью вступит во владение.

Для двигателей, которые постоянно работают на средних и высоких скоростях (вентиляторы, насосы, дроны), бессенсорные конструкции зачастую являются более практичным выбором. Для всего, что требует надежного крутящего момента при старте с места — подъемники с прямым приводом, сервоприводное позиционирование, ступичные двигатели электронного велосипеда, трогающиеся с места на подъеме — датчики Холла остаются более безопасным выбором. Этот компромисс рассматривается более подробно в этом сравнении бездатчиковое или бесщеточное управление двигателем с датчиком Холла и этот обзор как контроллеры двигателей BLDC осуществляют коммутацию в более широком смысле .

Диагностика неисправностей общего датчика Холла

Двигатель, который дергается, глохнет при запуске или вращается только в одном направлении, а затем отключается, демонстрирует классические симптомы проблемы с датчиком Холла, а не неисправность обмотки.

• Отсутствие сигнала на одном канале: один неисправный датчик создает недопустимую комбинацию состояний, которую большинство контроллеров помечают как неисправность, а не пытаются неправильно коммутировать.
• Грубое или рывковое вращение на низкой скорости: часто указывает на смещенный датчик или датчик, который отклонился от правильного углового положения относительно магнитов ротора.
• Двигатель вращается в неправильном направлении или сразу глохнет: может указывать на то, что во время ремонта были заменены два провода Холла или датчик подключен к неправильной опорной фазе.
• Прерывистое отключение при вибрации: Это явный признак треснутого паяного соединения или ослабленного разъема, а не сам неисправный датчик.

Мультиметр на контактах питания 5 В и заземлении датчика подтверждает, что питание достигает платы датчика; Проверка заземления каждого сигнального провода при медленном вращении вала вручную должна показать четкие переходы между высоким и низким уровнем при прохождении каждого полюса магнита. Сигнал, который никогда не меняется или хаотично мигает, указывает на этот конкретный датчик или его проводку, а не на контроллер.

Согласование выхода датчика Холла с контроллером двигателя

Двигатель, оборудованный Холлом, — это только половина уравнения: контроллер на другом конце этого пятипроводного жгута должен считывать те же логические уровни и ожидать того же расположения датчиков.

Прежде чем соединять двигатель и контроллер, убедитесь, что напряжение питания Холла соответствует выходному сигналу контроллера (логика 5 В и 3,3 В не взаимозаменяемы без устройства сдвига уровня) и что интерфейс датчика положения контроллера настроен на вход Холла, а не на сигналы энкодера или резольвера. Контроллеры, поддерживающие несколько методов измерения, обеспечивают здесь гибкость; тот Контроллер двигателя BLDC серии R2 с высокой совместимостью , например, работает как с двигателями с датчиками Холла, так и с двигателями без датчиков, что упрощает переключение между типами двигателей без замены аппаратного обеспечения. Рекомендации по согласованию конкретных моделей контроллеров со спецификациями двигателей, оснащенных оборудованием Холла, см. в этом документе. Справочник по сопряжению контроллера и двигателя проходится по параметрам, которые необходимо выровнять. Полный Линейка контроллеров двигателей BLDC охватывает диапазон классов напряжения и тока для двигателей разных размеров.