Бесщеточный двигатель с датчиком Холла: что он делает и когда он вам нужен для вашего проекта

Когда в технических характеристиках бесщеточного двигателя постоянного тока указано «с датчиком Холла», эта строка меняется больше, чем цена. Он меняет способ запуска двигателя из состояния покоя, способ передачи крутящего момента на низких скоростях и то, какие контроллеры могут им управлять. Для любого, кто выбирает двигатель для электросамоката, роботизированной платформы, квадроцикла или морского привода, решение о датчике Холла является одним из первых вопросов, которые необходимо принять на системном уровне.

Краткий ответ: бесщеточный двигатель с датчиком Холла сообщает контроллеру точное положение ротора с нулевой скорости, поэтому двигатель запускается с полным крутящим моментом в правильном направлении и плавно работает на низкой скорости. Компромисс — дополнительная проводка и контроллер, предназначенный для чтения сигналов Холла. Когда двигатель и контроллер определяются вместе, обычно предпочтение отдается сенсорному управлению.

Что делает датчик Холла в бесщеточном двигателе

Внутри бесщеточного двигателя постоянного тока нет коммутатора для переключения обмоток. Контроллер должен подать напряжение на три фазы в последовательности, следующей за ротором, и время зависит от знания положения ротора в каждый момент времени. Эту информацию предоставляют датчики Холла.

Типичный двигатель с датчиком содержит три микросхемы Холла, установленные на расстоянии 120 электрических градусов друг от друга. По мере прохождения магнитов ротора каждый датчик обнаруживает изменение между северным и южным полюсами и переключает свой выход. Три выхода формируют 3-битный шаблон с шестью действительными состояниями, каждое из которых соответствует одному шагу коммутации с углом 60 градусов. Если контроллер когда-либо считывает состояние 000 или 111 во время вращения, это обычно является неисправностью проводки, поскольку эти состояния не должны отображаться с правильным шаблоном Холла.

Датчик Холла является сигнальным устройством, а не силовым устройством. Он не проводит фазный ток; он сообщает контроллеру только положение ротора. Вот почему именно в контроллере двигателя происходит реальное принятие решений. Один и тот же двигатель может запускаться мягко или резко, эффективно или расточительно, в зависимости от того, как контроллер обрабатывает шаблон Холла.

Почему датчики Холла важны в режиме ожидания и на низкой скорости

Бессенсорные бесщеточные контроллеры считывают положение ротора по обратной электродвижущей силе (BEMF). BEMF увеличивается с увеличением скорости двигателя; в состоянии покоя оно равно нулю, а скорость ниже примерно пяти-десяти процентов от номинальной слишком мала для надежного измерения. Таким образом, бездатчиковый пуск использует последовательность разомкнутого контура: выровняйте ротор, затем увеличивайте его скорость до тех пор, пока не станет возможным считывание BEMF.

Эта последовательность является слабым звеном. Под нагрузкой запуск с выравниванием и нарастанием может привести к всплеску тока, короткому рывку назад или остановке. Типичным симптомом является двигатель, который щелкает или колеблется перед движением. Для электронного велосипеда, трогающегося со склона, робота, поднимающего полезную нагрузку, или электрического квадроцикла, трогающегося с места на рыхлом грунте, эти колебания неприятны и вредны для трансмиссии.

Двигатель с датчиком Холла исключает слепую фазу. Контроллер знает положение ротора в состоянии покоя и немедленно применяет крутящий момент в правильном направлении. Наибольшую выгоду приносят приложения, которые часто запускаются и останавливаются, например, роботы-доставщики, велосипеды с педальным управлением, самокаты и электрические мотоциклы. Контроллер также может обеспечить тихий запуск; сверхтихая стратегия ШИМ подавляет шум переключения, который часто сопровождает работу на низкой скорости, поэтому сенсорный пуск в продуктах премиум-класса кажется плавным и бесшумным.

Сверхтихий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A6 для частого использования в режиме «стоп-энд-гоу». Этот сенсорный контроллер обеспечивает плавный и бесшумный запуск в состоянии покоя, что делает его хорошо подходящим для поездок по городу, работы с грузами и маневрирования на низкой скорости, где важна обратная связь по положению ротора. Посмотреть продукт →

Вот почему версии с датчиками распространены в приводах ступичных двигателей городских транспортных средств; остановки, старт с нагрузкой и маневрирование на низкой скорости — это именно те условия, в которых BEMF не справляется. Данные о производительности ступичного двигателя в реальных условиях езды следуют той же схеме: от поездок с остановками на работу до длительных грузовых смен.

Руководства по эксплуатации ступичного двигателя постоянно показывают, что версии с датчиками справляются с городскими задачами более предсказуемо, чем версии без датчиков.

Типы выходов Холла, уровни напряжения и схемы коммутации

Датчики Холла имеют два выходных формата. Выходы с открытым коллектором выводят сигнал на низкий уровень, и для возврата на высокий уровень на стороне контроллера требуются подтягивающие резисторы. Двухтактные выходы напрямую управляют линией высоким и низким уровнем. Если на плате контроллера нет подтягивающих устройств, двигатель с открытым коллектором не выдает действительный высокий уровень, и контроллер никогда не заполняет свою таблицу коммутации.

Совместимость по напряжению также имеет значение. В старых двигателях часто используются микросхемы Холла с напряжением 5 В, тогда как многие входы контроллера тока работают с логикой 3,3 В. Подача сигнала 5 В на контакт только 3,3 В может привести к повреждению входа или вызвать спорадические неисправности. В спецификации двигателя должно быть указано напряжение питания Холла и уровень выходной мощности; если нет, спросите перед заказом.

Расстояние между датчиками Холла соответствует одному из двух стандартов: 60 электрических градусов или 120 электрических градусов. Таблица коммутации контроллера должна соответствовать этому интервалу. Двигатель, рассчитанный на угол 60°, дает диаграмму Холла, отличную от двигателя на 120°, а применение неправильной таблицы приводит к неровной работе, потере крутящего момента или потере синхронизации.

Помните также, что электрические степени не являются механическими степенями. Двигатель с четырьмя парами полюсов повторяет схему Холла четыре раза за один механический оборот. Количество пар полюсов меняет электрическую частоту, которую должен обрабатывать контроллер, поэтому ее необходимо правильно настроить вместе с углом коммутации.

Согласование двигателя с датчиком Холла с контроллером

Сенсорный двигатель дает свои преимущества только в том случае, если контроллер предназначен для считывания сигналов Холла. Три проверки покрывают большую часть поверхности совместимости. Сначала проверьте напряжение питания Холла и логический уровень в соответствии с номиналом входа контроллера. Во-вторых, убедитесь, что контроллер поддерживает угол коммутации двигателя 60° или 120°. В-третьих, решите, что произойдет на более высокой скорости; многие контроллеры используют сигналы Холла на низкой скорости и смешиваются с режимом BEMF выше порогового значения, и этот переход должен быть достаточно плавным, чтобы избежать провала крутящего момента.

Для трансмиссии электромобильности эффективность в рабочем диапазоне низких скоростей часто является наибольшим фактором, влияющим на реальный запас хода. Сенсорная коммутация удерживает ток статора на одном уровне с ротором, уменьшая потери в меди и нагрев. Контроллер, который правильно считывает входные сигналы Холла, например, высокоэффективный контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока A4-2313, позволяет настраивать один и тот же двигатель для поездок по городу, грузовых перевозок или крутящего момента на бездорожье, поскольку кривая коммутации запрограммирована в программном обеспечении.

A4 Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока с входом Холла Разработанный для поддержания тока статора на одном уровне с ротором на низких скоростях, этот контроллер увеличивает реальный запас хода и может быть настроен для различных рабочих циклов: от езды по городу до грузовых перевозок или бездорожья. Посмотреть продукт →

Когда двигатель и контроллер поставляются от разных поставщиков, параметры Холла являются первым источником несоответствия. Двигатель с углом 60°, подключенный к контроллеру, настроенному на угол 120°, будет работать неровно или вообще не работать. Структурированная схема сопряжения решает эту проблему до прибытия оборудования: класс напряжения, номинальный ток, формат выходного сигнала Холла, напряжение питания, угол коммутации и количество пар полюсов документируются на одной странице.

Схема сопряжения контроллера и двигателя с шестью ключевыми параметрами На структурированной странице сопряжения документируются класс напряжения, номинальный ток, выходной формат Холла, напряжение питания, угол коммутации и количество пар полюсов, чтобы предотвратить несоответствие до прибытия оборудования. Посмотреть продукт →

Что проверить, прежде чем выбрать сенсорный двигатель

Перед заказом поместите эти шесть товаров на одну страницу:

• Напряжение питания и логический уровень Холла: сопоставьте микросхему Холла двигателя с номиналом входного сигнала контроллера.
• Формат вывода: для открытого коллектора требуются подтяжки на стороне контроллера; двухтактный нет.
• Расстояние коммутации: 60° или 120°, убедитесь, что конфигурация контроллера соответствует.
• Количество пар полюсов: проверьте его и введите правильно, поскольку оно устанавливает электрическую частоту.
• Распиновка разъема: стандартная проводка датчика состоит из трех фазных проводов и пяти выводов Холла (5 В, земля, A, B, C). Один перепутанный контакт является наиболее распространенной ошибкой при стендовых испытаниях.
• Стратегия неисправности Холла: проверьте, может ли контроллер обнаружить застрявший или отсутствующий сигнал Холла и вернуться в бездатчиковый режим.

Бесщеточный двигатель с датчиком Холла — это проверенный способ обеспечить детерминированный крутящий момент на низких скоростях. В стоимость входят дополнительные провода и контроллер с поддержкой входа Холла. Для транспортных средств и машин, которые запускаются под нагрузкой, работают на низкой скорости или часто переключаются задним ходом, эти затраты обеспечивают более плавное поведение и более короткий цикл разработки. Когда параметры Холла записаны и сопоставлены с контроллером, двигатель с датчиком просто ведет себя так, как обещано в таблице данных.