hvordan fungerer halleffektsensor på bldc-motor: praktiske bruksområder, utvalg

Hvis du noen gang har åpnet en børsteløs DC (BLDC) motor eller studert drivelektronikken, har du sannsynligvis lagt merke til tre små Hall-effektsensorer som sitter nær rotoren. De er lette å overse, men de er blant de viktigste komponentene i motorstyring. I denne veiledningen forklarer vi hvordan en Hall-effektsensor fungerer i en BLDC-motor, hvorfor motoren trenger det, og hva som skjer når sensorsignalet når kontrolleren.

Hos Hongyang Motor har vi brukt mer enn tre tiår på å produsere børsteløse DC-motorer og andre mikromotorløsninger. Hall-sensoren kan være en liten del, men dens innflytelse på effektivitet og jevn drift er betydelig.

Hva er en Hall Effect Sensor?

Hall-effekten er et fysisk fenomen oppdaget i 1879. Når en strøm flyter gjennom en tynn leder eller halvleder og et magnetfelt påføres i rett vinkel på strømmen, avbøyes de bevegelige ladningene. Dette skaper en liten spenning over materialet, vinkelrett på både strømmen og magnetfeltet. En Hall-effektsensor er ganske enkelt en enhet som måler denne spenningen og konverterer den til et logisk signal.

I en BLDC-motor er sensoren plassert nær rotoren. Når permanentmagnetene på rotoren passerer sensoren, skifter det skiftende magnetfeltet sensorens utgang. Kontrolleren kan da fortelle om en nordpol eller en sørpol er i nærheten.

Hvorfor en BLDC-motor trenger rotorposisjonsføling

I motsetning til en børstet motor med en mekanisk kommutator, er en BLDC-motor avhengig av elektronisk kommutering. Statorviklingene må aktiveres i en nøyaktig sekvens, og tidspunktet for den sekvensen avhenger av rotorens posisjon. Hvis kontrolleren aktiverer feil vikling, vil ikke motoren generere nyttig dreiemoment. I stedet kan den stoppe, vibrere eller overopphetes.

Hall-sensorer løser dette problemet ved å gi kontrolleren sanntids tilbakemelding om hvor rotoren er. Tre sensorer er nok til å definere seks kommuteringstilstander, som tilsvarer standard seks-trinns kommuteringsmønster som brukes i de fleste trefase BLDC-motorer.

Hvordan Hall-sensorer er ordnet og hvordan de fungerer sammen

I en typisk trefase BLDC-motor er tre Hall-sensorer plassert 60 elektriske grader fra hverandre. Noen design bruker 120-graders avstand, men konseptet forblir det samme. Sensorene er vanligvis montert på et lite sensorkort i enden av motoren, bak rotormagnetringen. Hver sensor leser magnetfeltet som høyt eller lavt, avhengig av om polen som vender mot den er nord eller sør.

De tre signalene danner sammen en 3-bits kode. Fordi hver elektrisk syklus har seks 60-graders segmenter, brukes bare seks av de åtte mulige tilstandene. Tabellen nedenfor viser én vanlig kartlegging; det nøyaktige mønsteret kan endres med sensorplassering og motorviklingskonfigurasjon.

Når kontrolleren ser en endring i tilstanden, vet den at rotoren har beveget seg 60 elektriske grader. Den bytter deretter invertertransistorene til neste trinn, og holder statorfeltet foran rotoren. Dette er grunnen til at arrangementet noen ganger kalles seks-trinns eller trapesformet kommutering.

Trinn-for-trinn: Hvordan Hall-sensoren styrer motoren

1. Rotormagnetpolene passerer foran de tre Hall-sensorene.
2. Hver sensor sender ut et høyt eller lavt signal avhengig av polariteten under den.
3. De tre utgangene kombineres til en 3-bits tilstand.
4. Kontrolleren slår opp denne tilstanden i sin kommuteringstabell.
5. Den bytter trefase-omformeren for å aktivere riktig par statorviklinger.
6. Statorfeltet går fremover og trekker rotoren til neste posisjon.
7. Prosessen gjentas, og skaper kontinuerlig rotasjon.

Hall-signalet må være rent og riktig timet. Selv en liten forskyvning i sensorposisjonen kan føre til at kontrolleren skifter tidlig eller sent, noe som senker effektiviteten og øker støyen.

Hallsensorer vs. sensorløs kontroll: hva du skal velge

Sensorløs BLDC-kontroll estimerer rotorposisjonen fra den bakre elektromotoriske kraften generert i den strømløse viklingen. Det eliminerer Hall-sensorer, noe som reduserer kostnadene og forenkler monteringen. Back-EMF er imidlertid ikke tilgjengelig når motoren er stoppet, så sensorløs oppstart er vanligvis vanskeligere og mindre robust under stor belastning.

• Hallsensorer: presis posisjon ved null hastighet, jevnere oppstart, enklere innstilling.
• Sensorløs: færre komponenter, lavere kostnad, bra for høyhastighets og rene miljøer.

Applikasjoner som f.eks industriroboter , medisinsk utstyr og droner favoriserer ofte Hall-sensordesign fordi de trenger forutsigbart dreiemoment fra stillstand. Vifter og pumper, på den annen side, kan kjøre sensorløst for å redusere systemkostnadene.

Hva vi har lært i produksjon av Hall-Sensor BLDC-motorer

I mer enn 30 år med å lage mikromotorer, har vi funnet ut at plassering av Hall-sensorer er et av de mest detaljsensitive trinnene i produksjonen. Sensorene må justeres konsekvent med statorspaltene og rotormagnetene. Sensordrift, loddekvalitet og til og med tykkelsen på limet kan påvirke timingen. Godt design og prosesskontroll utgjør forskjellen mellom en stillegående, effektiv motor og en som surrer eller mister dreiemoment.

Dronefremdrift er et godt eksempel. En dronemotor trenger øyeblikkelig respons når piloten bytter gass, og den må starte uten å nøle. Derfor designer vi vår børsteløse DC-motor for drone med godt posisjonerte Hall-sensorer og et tilpasset driverkort. Hvis du velger en BLDC-motor for et kompakt produkt med høy ytelse, bør Hall-sensorskjemaet være en del av evalueringen din, ikke en ettertanke.

Avsluttende tanker

Halleffektsensorer er den praktiske broen mellom den fysiske rotorposisjonen og den elektroniske kontrolleren i en BLDC-motor. De gjør seks-trinns kommutering pålitelig, spesielt ved lav hastighet og under belastning. Enten du designer en motor for en drone, en robot eller et smart apparat, vil forståelsen av hvordan disse sensorene fungerer hjelpe deg med å evaluere en motordesign mer nøye og stille de riktige spørsmålene før du velger leverandør.