BLDC Hall-sensor: hoe het werkt, typen en gids voor probleemoplossing

Wat is een Hall-sensor in een BLDC-motor

Trek de eindkap van de meeste borstelloze gelijkstroommotoren en je zult drie kleine componenten vinden die bij de wikkelingen zijn geclusterd, elk nauwelijks groter dan een rijstkorrel. Dat zijn de Hall-sensoren, en zonder deze – of een vervanging zoals tegen-EMF-detectie – kan de motor niet weten welke kant hij op moet duwen.

Een Hall-sensor detecteert magnetische velden met behulp van het Hall-effect: wanneer een magnetisch veld loodrecht op een stroomvoerend element passeert, duwt het ladingsdragers opzij, waardoor een meetbare spanning ontstaat. In een BLDC-motor zitten drie van deze sensoren op de stator nabij het niet-aandrijvende uiteinde, zo gepositioneerd dat de permanente magneten van de rotor erlangs vliegen terwijl de as draait. Elke sensor schakelt hoog of laag, afhankelijk van of er een noord- of zuidpool in de buurt is, en de combinatie van alle drie de signalen vertelt de controller op elk moment precies waar de rotor zich bevindt - zelfs als de motor niet beweegt.

Hoe Hall-sensoren commutatie stimuleren

Bij een driefasige BLDC-motor moet de wikkelstroom in de juiste volgorde worden geschakeld om de rotor te laten draaien - een proces dat commutatie wordt genoemd. Hall-sensoren maken dit mogelijk door de controller een directe uitlezing van de rotorpositie te geven, in plaats van hem te dwingen de positie indirect af te leiden.

Met drie sensoren rond de stator produceren de magneten van de rotor een van de zes mogelijke hoog/laag-combinaties terwijl deze een volledige elektrische revolutie doorloopt. Elke combinatie komt overeen met een specifieke 60°-sector, en de controller gebruikt een opzoektabel om te beslissen welke twee van de drie fasen voor die sector moeten worden geactiveerd. Terwijl de rotor de volgende sector binnengaat, verandert het Hall-patroon, schakelt de controller over naar het volgende wikkelingspaar en blijft het roterende magnetische veld de rotor naar voren trekken - zes afzonderlijke stappen per elektrische cyclus, bekend als trapeziumvormige of zesstaps-commutatie.

Dit is ook de reden waarom Hall-sensoren het belangrijkst zijn bij stilstand en lage snelheid. Een controller die afhankelijk is van tegen-EMF heeft niets te lezen totdat de motor al snel genoeg draait om een ​​bruikbaar signaal te genereren; een met Hall uitgeruste motor rapporteert zijn positie vanaf het moment dat de stroom wordt ingeschakeld. Daarom starten sensorontwerpen schoon onder belasting zonder te raden in een open lus.

Soorten Hall-effectsensoren

Niet alle Hall-sensoren gedragen zich op dezelfde manier, en het onderscheid is van belang bij het specificeren of oplossen van problemen met een motor.

• Digitale unipolaire sensoren inschakelen wanneer een van de magnetische polen in de buurt passeert en uitschakelen zodra het veld wegvalt. Ze zijn eenvoudig en goedkoop, maar komen minder vaak voor bij BLDC-commutatie omdat ze de poolpolariteit niet zo duidelijk onderscheiden.
• Digitale bipolaire (vergrendelende) sensoren inschakelen in de aanwezigheid van één pool en alleen uitschakelen wanneer de tegenovergestelde pool arriveert – waarbij hun toestand daartussenin blijft. Dit vergrendelingsgedrag levert schone, herhaalbare overgangen op en is de standaardkeuze voor BLDC-commutatie.
• Analoge (lineaire) sensoren een spanning uit te voeren die evenredig is met de veldsterkte in plaats van een eenvoudig aan/uit-signaal. Ze worden minder vaak gebruikt voor basiscommutatie, maar komen voor in toepassingen die een fijnere positieresolutie nodig hebben door middel van interpolatie.

Belangrijkste selectiecriteria

Het kiezen van een Hall-sensor – of het evalueren van een sensor die al in een motor is ingebouwd – komt neer op een handvol parameters die rechtstreeks van invloed zijn op de commutatienauwkeurigheid en motorefficiëntie.

Een dieper technisch overzicht van deze parameters, inclusief hoe BOP- en BRP-waarden uit een datasheet worden gelezen, is hierin beschikbaar Selectiegids voor Hall-effectsensoren van Portescap .

Sensored versus sensorloze BLDC-bediening

Hall-sensoren zijn niet de enige manier om een BLDC-motor te commuteren, en het alternatief – sensorloze, op back-EMF gebaseerde besturing – ruilt de ene reeks sterke punten in voor de andere.

Motoren met sensor leveren een betrouwbaar startkoppel onder belasting, omdat de positie zelfs bij nul toerental bekend is, en ze houden goed stand in toepassingen met veelvuldig starten, stoppen of richtingsveranderingen. De kosten bestaan ​​uit extra bedrading (meestal een vijfdraads harnas) en nog een onderdeel dat kan falen door hitte, trillingen of een slechte connector. Sensorloze regeling elimineert die bedrading en het bijbehorende storingspunt volledig, maar kan de rotorpositie pas bepalen als de motor al snel genoeg draait om detecteerbare tegen-EMF te genereren, wat betekent dat er een opstarthelling met open lus nodig is voordat de regeling met gesloten lus het overneemt.

Voor motoren die continu op matige tot hoge snelheid draaien – ventilatoren, pompen, drone-aandrijving – zijn sensorloze ontwerpen vaak de meer praktische keuze. Voor alles wat een betrouwbaar koppel nodig heeft vanuit stilstand – liften met directe aandrijving, positionering in servostijl, naafmotoren voor e-bikes die wegrijden vanaf een stop op een heuvel – blijven Hall-sensoren de veiligere keuze. Deze afweging wordt dieper onderzocht in deze vergelijking van sensorloze versus borstelloze motorregeling met Hall-effect , en dit overzicht van hoe BLDC-motorcontrollers commutatie breder verwerken .

Diagnose van veelvoorkomende Hall-sensorfouten

Een motor die schokt, afslaat bij het opstarten of slechts in één richting draait voordat hij uitschakelt, vertoont klassieke symptomen van een Hall-sensorprobleem in plaats van een wikkelingsfout.

• Ontbrekend signaal op één kanaal: een enkele defecte sensor produceert een ongeldige statuscombinatie, die de meeste controllers als een fout zullen markeren in plaats van te proberen onjuist te commuteren.
• Ruwe of schokkerige rotatie bij lage snelheid: wijst vaak op een niet goed uitgelijnde sensor of een sensor die uit de juiste hoekpositie ten opzichte van de rotormagneten is afgedreven.
• Motor draait de verkeerde kant op of slaat onmiddellijk af: kan duiden op twee Hall-draden die tijdens een reparatie zijn verwisseld, of op een sensor die op de verkeerde fasereferentie is aangesloten.
• Intermitterende uitschakeling bij trillingen: een sterk teken van een gebarsten soldeerverbinding of een connector die losraakt in plaats van een defecte sensor zelf.

Een multimeter op de 5V-voeding en aardingspennen van de sensor bevestigt dat de sensorkaart stroom bereikt; Als u elke signaaldraad tegen aarde controleert terwijl u de as langzaam met de hand draait, moeten er zuivere overgangen tussen hoog en laag zichtbaar zijn wanneer elke magneetpool passeert. Een signaal dat nooit verandert of onregelmatig flikkert, wijst naar die specifieke sensor of de bedrading ervan in plaats van naar de controller.

Overeenkomende Hall-sensoruitgang met uw motorcontroller

Een met Hall uitgeruste motor is slechts de helft van de vergelijking: de controller aan het andere uiteinde van die vijfdraads harnas moet dezelfde logische niveaus lezen en dezelfde sensoropstelling verwachten.

Voordat u een motor en controller koppelt, moet u controleren of de Hall-voedingsspanning overeenkomt met wat de controller uitvoert (5V- en 3,3V-logica zijn niet uitwisselbaar zonder een niveauverschuiver) en of de positiesensorinterface van de controller is geconfigureerd voor Hall-invoer in plaats van voor encoder- of resolutiesignalen. Controllers die meerdere detectiemethoden ondersteunen, bieden hier flexibiliteit; de R2-serie BLDC-motorcontroller met hoge compatibiliteit werkt bijvoorbeeld met zowel Hall-effect sensor- als sensorloze motoren, wat het wisselen tussen motortypen vereenvoudigt zonder de hardware te veranderen. Voor hulp bij het matchen van specifieke controllermodellen met met Hall uitgeruste motorspecificaties kunt u dit raadplegen controller- en motorkoppelingsreferentie loopt door de parameters die moeten worden uitgelijnd. De volledige BLDC-motorcontrollerreeks omvat een reeks spannings- en stroomklassen voor motoren van verschillende groottes.