Cảm biến Hall BLDC: Cách thức hoạt động, loại và hướng dẫn khắc phục sự cố

Cảm biến Hall trong động cơ BLDC là gì

Kéo nắp cuối ra khỏi hầu hết các động cơ DC không chổi than và bạn sẽ thấy ba bộ phận nhỏ tập trung gần các cuộn dây, mỗi bộ phận chỉ lớn hơn một hạt gạo. Đó là những cảm biến Hall và nếu không có chúng - hoặc một cảm biến thay thế như cảm biến EMF ngược - động cơ không có cách nào để biết nên đẩy theo hướng nào.

Cảm biến Hall phát hiện từ trường bằng hiệu ứng Hall: khi từ trường đi vuông góc với một phần tử mang dòng điện, nó sẽ đẩy các hạt mang điện sang một bên, tạo ra một điện áp có thể đo được. Trong động cơ BLDC, ba trong số các cảm biến này nằm trên stato gần đầu không dẫn động, được đặt sao cho nam châm vĩnh cửu của rôto quét qua chúng khi trục quay. Mỗi cảm biến chuyển đổi cao hay thấp tùy thuộc vào việc cực bắc hay cực nam ở gần và sự kết hợp của cả ba tín hiệu sẽ cho bộ điều khiển biết chính xác vị trí của rôto bất cứ lúc nào - ngay cả khi động cơ không chuyển động.

Cảm biến Hall thúc đẩy chuyển đổi như thế nào

Động cơ BLDC ba pha cần dòng điện cuộn dây được chuyển đổi theo đúng trình tự để giữ cho rôto quay - một quá trình được gọi là chuyển mạch. Cảm biến Hall thực hiện được điều này bằng cách cung cấp cho bộ điều khiển khả năng đọc trực tiếp vị trí rôto, thay vì buộc nó phải suy ra vị trí một cách gián tiếp.

Với ba cảm biến đặt xung quanh stato, nam châm của rôto tạo ra một trong sáu khả năng kết hợp cao/thấp khi nó thực hiện một vòng quay điện hoàn toàn. Mỗi sự kết hợp tương ứng với một khu vực 60° cụ thể và bộ điều khiển sử dụng bảng tra cứu để quyết định hai trong ba pha nào sẽ được cấp năng lượng cho khu vực đó. Khi rôto tiến sang khu vực tiếp theo, mô hình Hall thay đổi, bộ điều khiển chuyển sang cặp cuộn dây tiếp theo và từ trường quay tiếp tục kéo rôto về phía trước — sáu bước riêng biệt trên mỗi chu kỳ điện, được gọi là chuyển mạch hình thang hoặc sáu bước.

Đây cũng là lý do tại sao cảm biến Hall quan trọng nhất ở trạng thái dừng và tốc độ thấp. Bộ điều khiển dựa vào EMF ngược không có gì để đọc cho đến khi động cơ quay đủ nhanh để tạo ra tín hiệu có thể sử dụng được; động cơ được trang bị Hall sẽ báo cáo vị trí của nó kể từ thời điểm cấp nguồn, đó là lý do tại sao các thiết kế có cảm biến khởi động trơn tru khi có tải mà không cần đoán vòng hở.

Các loại cảm biến hiệu ứng Hall

Không phải tất cả các cảm biến Hall đều hoạt động theo cùng một cách và sự khác biệt rất quan trọng khi chỉ định hoặc khắc phục sự cố cho động cơ.

• Cảm biến đơn cực kỹ thuật số bật khi một trong hai cực từ đi qua gần và tắt khi từ trường biến mất. Chúng đơn giản và rẻ tiền nhưng ít phổ biến hơn trong chuyển mạch BLDC vì chúng không phân biệt cực một cách rõ ràng.
• Cảm biến lưỡng cực (chốt) kỹ thuật số bật khi có một cực và chỉ tắt khi cực đối diện đến - giữ trạng thái của chúng ở giữa. Hành vi chốt này mang lại sự chuyển đổi rõ ràng, có thể lặp lại và là lựa chọn tiêu chuẩn cho chuyển mạch BLDC.
• Cảm biến tương tự (tuyến tính) tạo ra điện áp tỷ lệ với cường độ trường thay vì tín hiệu bật/tắt đơn giản. Chúng ít được sử dụng hơn cho các giao hoán cơ bản nhưng lại xuất hiện trong các ứng dụng cần độ phân giải vị trí tốt hơn thông qua phép nội suy.

Tiêu chí lựa chọn chính

Việc chọn cảm biến Hall — hoặc đánh giá cảm biến đã được tích hợp sẵn trong động cơ — phụ thuộc vào một số thông số ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác chuyển mạch và hiệu suất của động cơ.

Phân tích kỹ thuật sâu hơn về các tham số này, bao gồm cách đọc các giá trị BOP và BRP từ biểu dữ liệu, có sẵn trong tài liệu này. Hướng dẫn lựa chọn cảm biến hiệu ứng Hall từ Portescap .

Điều khiển BLDC có cảm biến và không cảm biến

Cảm biến Hall không phải là cách duy nhất để chuyển mạch động cơ BLDC và giải pháp thay thế — điều khiển dựa trên EMF ngược, không cảm biến — trao đổi một tập hợp sức mạnh này lấy một tập hợp điểm mạnh khác.

Động cơ có cảm biến cung cấp mô-men xoắn khởi động đáng tin cậy khi có tải, vì vị trí được xác định ngay cả ở tốc độ vòng/phút bằng 0 và chúng hoạt động tốt trong các ứng dụng thường xuyên khởi động, dừng hoặc thay đổi hướng. Chi phí là hệ thống dây điện bổ sung - thường là dây nịt năm dây - và một bộ phận khác có thể bị hỏng do nhiệt, rung hoặc đầu nối kém. Điều khiển không cảm biến loại bỏ hoàn toàn hệ thống dây điện và điểm hỏng hóc liên quan, nhưng nó không thể xác định vị trí rôto cho đến khi động cơ quay đủ nhanh để tạo ra EMF ngược có thể phát hiện được, nghĩa là giai đoạn khởi động vòng lặp mở trước khi điều khiển vòng kín tiếp quản.

Đối với động cơ chạy liên tục ở tốc độ vừa phải đến cao – quạt, máy bơm, động cơ đẩy của máy bay không người lái – thiết kế không có cảm biến thường là lựa chọn thiết thực hơn. Đối với bất cứ thứ gì cần mô-men xoắn đáng tin cậy khi khởi động ở chế độ đứng - thang máy dẫn động trực tiếp, định vị kiểu servo, động cơ trung tâm xe đạp điện di chuyển từ điểm dừng trên đồi - cảm biến Hall vẫn là lựa chọn an toàn hơn. Sự đánh đổi này được khám phá sâu hơn trong sự so sánh giữa Điều khiển động cơ không chổi than cảm biến không cảm biến và hiệu ứng Hall , và cái nhìn tổng quan này về cách bộ điều khiển động cơ BLDC xử lý chuyển mạch rộng hơn .

Chẩn đoán lỗi cảm biến Hall chung

Động cơ bị giật, chết máy khi khởi động hoặc chỉ chạy theo một hướng trước khi ngắt điện đang biểu hiện các triệu chứng điển hình của sự cố cảm biến Hall chứ không phải lỗi cuộn dây.

• Thiếu tín hiệu trên một kênh: một cảm biến bị lỗi sẽ tạo ra một tổ hợp trạng thái không hợp lệ, mà hầu hết các bộ điều khiển sẽ gắn cờ là lỗi thay vì cố gắng chuyển đổi không chính xác.
• Xoay thô hoặc giật ở tốc độ thấp: thường chỉ ra một cảm biến bị lệch hoặc một cảm biến bị lệch khỏi vị trí góc chính xác của nó so với nam châm rôto.
• Động cơ quay sai hướng hoặc chết máy ngay lập tức: có thể cho biết hai dây Hall bị tráo đổi trong quá trình sửa chữa hoặc cảm biến được nối sai pha tham chiếu.
• Cắt liên tục dưới sự rung động: dấu hiệu rõ ràng cho thấy mối hàn bị nứt hoặc đầu nối hoạt động lỏng lẻo chứ không phải bản thân cảm biến bị hỏng.

Đồng hồ vạn năng trên nguồn 5V của cảm biến và các chân nối đất xác nhận nguồn điện đang đến bảng cảm biến; kiểm tra từng dây tín hiệu với mặt đất trong khi quay chậm trục bằng tay sẽ cho thấy sự chuyển tiếp rõ ràng giữa cao và thấp khi mỗi cực nam châm đi qua. Tín hiệu không bao giờ thay đổi hoặc nhấp nháy thất thường sẽ trỏ đến cảm biến cụ thể đó hoặc hệ thống dây điện của nó chứ không phải bộ điều khiển.

Kết hợp đầu ra cảm biến Hall với bộ điều khiển động cơ của bạn

Một động cơ được trang bị Hall chỉ là một nửa phương trình - bộ điều khiển ở đầu bên kia của bộ dây năm dây đó phải đọc các mức logic giống nhau và yêu cầu cách bố trí cảm biến giống nhau.

Trước khi ghép nối động cơ và bộ điều khiển, hãy xác nhận rằng điện áp nguồn Hall khớp với điện áp đầu ra của bộ điều khiển — logic 5V và 3,3V không thể thay thế cho nhau nếu không có bộ dịch mức — và giao diện cảm biến vị trí của bộ điều khiển được định cấu hình cho đầu vào Hall thay vì tín hiệu bộ mã hóa hoặc bộ phân giải. Bộ điều khiển hỗ trợ nhiều phương pháp cảm biến mang lại sự linh hoạt ở đây; cái Bộ điều khiển động cơ BLDC tương thích cao dòng R2 chẳng hạn, hoạt động với cả động cơ có cảm biến hiệu ứng Hall và không có cảm biến, giúp đơn giản hóa việc chuyển đổi giữa các loại động cơ mà không cần thay đổi phần cứng. Để biết hướng dẫn về cách kết hợp các mẫu bộ điều khiển cụ thể với thông số kỹ thuật của động cơ được trang bị Hall, đây tài liệu tham khảo ghép nối bộ điều khiển và động cơ đi qua các thông số cần căn chỉnh. đầy đủ Dòng sản phẩm điều khiển động cơ BLDC bao gồm một loạt các loại điện áp và dòng điện cho động cơ có kích cỡ khác nhau.