เซ็นเซอร์ BLDC Hall: วิธีการทำงาน ประเภท และคำแนะนำในการแก้ไขปัญหา

เซ็นเซอร์ฮอลล์ในมอเตอร์ BLDC คืออะไร

ดึงฝาปิดท้ายออกจากมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านส่วนใหญ่ แล้วคุณจะพบส่วนประกอบเล็กๆ สามชิ้นรวมตัวกันอยู่ใกล้ขดลวด โดยแต่ละชิ้นมีขนาดใหญ่กว่าเมล็ดข้าวเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เหล่านี้คือเซ็นเซอร์ฮอลล์ และหากไม่มีเซ็นเซอร์เหล่านี้ หรือสิ่งทดแทนเช่น การตรวจจับ EMF ด้านหลัง มอเตอร์ก็ไม่มีทางรู้ว่าจะดันไปทางไหน

เซ็นเซอร์ฮอลล์ตรวจจับสนามแม่เหล็กโดยใช้เอฟเฟกต์ฮอลล์: เมื่อสนามแม่เหล็กผ่านตั้งฉากกับองค์ประกอบที่มีกระแสไหลผ่าน มันจะผลักพาหะประจุไปด้านหนึ่ง ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ ในมอเตอร์ BLDC เซ็นเซอร์สามตัวจะอยู่บนสเตเตอร์ใกล้กับปลายที่ไม่ได้ขับเคลื่อน ซึ่งอยู่ในตำแหน่งที่แม่เหล็กถาวรของโรเตอร์จะกวาดผ่านพวกมันในขณะที่เพลาหมุน เซ็นเซอร์แต่ละตัวจะสลับสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับว่ามีขั้วเหนือหรือใต้อยู่ใกล้ๆ และการรวมกันของสัญญาณทั้งสามจะบอกตัวควบคุมอย่างแม่นยำว่าโรเตอร์อยู่ที่ตำแหน่งใดในทันที แม้ว่ามอเตอร์จะไม่เคลื่อนที่ก็ตาม

เซ็นเซอร์ฮอลล์ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

มอเตอร์ BLDC สามเฟสจำเป็นต้องเปลี่ยนกระแสขดลวดในลำดับที่ถูกต้องเพื่อให้โรเตอร์หมุนอยู่ กระบวนการที่เรียกว่าการสลับสับเปลี่ยน เซ็นเซอร์ฮอลล์ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้โดยให้คอนโทรลเลอร์อ่านตำแหน่งโรเตอร์โดยตรง แทนที่จะบังคับให้อนุมานตำแหน่งโดยอ้อม

ด้วยเซ็นเซอร์สามตัวที่เว้นระยะห่างรอบๆ สเตเตอร์ แม่เหล็กของโรเตอร์จะสร้างค่าผสมสูง/ต่ำที่เป็นไปได้หนึ่งในหกค่าในขณะที่มันผ่านการปฏิวัติทางไฟฟ้าเต็มรูปแบบ การรวมกันแต่ละครั้งจะสอดคล้องกับเซกเตอร์ 60° ที่เฉพาะเจาะจง และผู้ควบคุมใช้ตารางค้นหาเพื่อตัดสินใจว่าควรจ่ายไฟสองในสามเฟสใดสำหรับเซกเตอร์นั้น เมื่อโรเตอร์เคลื่อนเข้าสู่เซกเตอร์ถัดไป รูปแบบฮอลล์จะเปลี่ยนไป ตัวควบคุมจะสลับไปที่คู่ขดลวดถัดไป และสนามแม่เหล็กที่หมุนอยู่จะคอยดึงโรเตอร์ไปข้างหน้า — หกขั้นตอนแยกกันต่อวงจรไฟฟ้า ที่เรียกว่าสี่เหลี่ยมคางหมูหรือการสับเปลี่ยนหกขั้นตอน

นี่คือสาเหตุที่เซ็นเซอร์ Hall มีความสำคัญมากที่สุดเมื่อหยุดนิ่งและความเร็วต่ำ ตัวควบคุมที่ใช้ back-EMF จะไม่มีอะไรต้องอ่านจนกว่ามอเตอร์จะหมุนเร็วพอที่จะสร้างสัญญาณที่ใช้งานได้ มอเตอร์ที่ติดตั้งฮอลล์จะรายงานตำแหน่งตั้งแต่กำลังไฟฟ้าที่ใช้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการออกแบบที่มีเซ็นเซอร์จึงเริ่มต้นได้อย่างหมดจดภายใต้โหลดโดยไม่ต้องคาดเดาแบบวงรอบเปิด

ประเภทของเซนเซอร์ Hall Effect

เซ็นเซอร์ Hall บางตัวไม่ทำงานเหมือนกัน และความแตกต่างมีความสำคัญเมื่อระบุหรือแก้ไขปัญหามอเตอร์

• เซนเซอร์ยูนิโพลาร์ดิจิตอล เปิดเมื่อขั้วแม่เหล็กขั้วใดขั้วหนึ่งผ่านบริเวณใกล้เคียง และปิดเมื่อสนามแม่เหล็กหลุดออกไป พวกมันเรียบง่ายและราคาไม่แพง แต่พบได้น้อยกว่าในการสับเปลี่ยนของ BLDC เนื่องจากไม่ได้แยกแยะขั้วของขั้วอย่างชัดเจน
• เซ็นเซอร์ดิจิตอลไบโพลาร์ (ล็อค) เปิดเมื่อมีขั้วหนึ่งและปิดเมื่อขั้วตรงข้ามมาถึงเท่านั้น โดยคงสถานะไว้ระหว่างนั้น ลักษณะการล็อคนี้ให้การเปลี่ยนที่สะอาดและทำซ้ำได้ และเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการเปลี่ยน BLDC
• เซ็นเซอร์อนาล็อก (เชิงเส้น) ส่งออกแรงดันไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามแทนที่จะเป็นสัญญาณเปิด/ปิดธรรมดา พวกมันถูกใช้ไม่บ่อยนักสำหรับการสับเปลี่ยนพื้นฐาน แต่จะแสดงในแอปพลิเคชันที่ต้องการการแก้ไขตำแหน่งที่ละเอียดยิ่งขึ้นผ่านการประมาณค่า

เกณฑ์การคัดเลือกที่สำคัญ

การเลือกเซ็นเซอร์ฮอลล์หรือการประเมินเซ็นเซอร์ที่ติดตั้งไว้ในมอเตอร์แล้วนั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์จำนวนหนึ่งที่ส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการเปลี่ยนและประสิทธิภาพของมอเตอร์

รายละเอียดทางเทคนิคเชิงลึกของพารามิเตอร์เหล่านี้ รวมถึงวิธีการอ่านค่า BOP และ BRP จากแผ่นข้อมูล มีอยู่ในเอกสารนี้ คู่มือการเลือกเซนเซอร์ Hall Effect จาก Portescap .

การควบคุม BLDC แบบเซนเซอร์และแบบไร้เซนเซอร์

เซ็นเซอร์ฮอลล์ไม่ใช่วิธีเดียวที่จะสับเปลี่ยนมอเตอร์ BLDC และอีกทางเลือกหนึ่งคือ การควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์ที่ใช้ back-EMF จะแลกเปลี่ยนจุดแข็งชุดหนึ่งกับอีกชุดหนึ่ง

มอเตอร์เซนเซอร์ให้แรงบิดสตาร์ทที่เชื่อถือได้ภายใต้โหลด เนื่องจากทราบตำแหน่งแม้ที่ RPM เป็นศูนย์ และทนทานในการใช้งานที่มีการสตาร์ท หยุด หรือเปลี่ยนทิศทางบ่อยครั้ง ค่าใช้จ่ายคือการเดินสายไฟเพิ่มเติม ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นชุดสายไฟห้าเส้น และส่วนประกอบอีกหนึ่งชิ้นที่อาจเสียหายเนื่องจากความร้อน การสั่นสะเทือน หรือขั้วต่อที่ไม่ดี การควบคุมแบบไร้เซนเซอร์จะกำจัดสายไฟและจุดชำรุดที่เกี่ยวข้องทั้งหมด แต่ไม่สามารถระบุตำแหน่งโรเตอร์ได้จนกว่ามอเตอร์จะหมุนเร็วพอที่จะสร้าง back-EMF ที่ตรวจจับได้ ซึ่งหมายถึงทางลาดสตาร์ทแบบวงเปิดก่อนที่การควบคุมแบบวงปิดจะเข้ามาแทนที่

สำหรับมอเตอร์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องที่ความเร็วปานกลางถึงสูง เช่น พัดลม ปั๊ม ระบบขับเคลื่อนด้วยโดรน การออกแบบแบบไร้เซ็นเซอร์มักเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงมากกว่า สำหรับทุกสิ่งที่ต้องการแรงบิดที่เชื่อถือได้จากการสตาร์ทแบบยืน - การยกแบบขับเคลื่อนโดยตรง การวางตำแหน่งแบบเซอร์โว มอเตอร์ฮับ e-bike ที่ดึงออกจากจุดหยุดบนเนินเขา - เซ็นเซอร์ฮอลล์ยังคงเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่า การแลกเปลี่ยนนี้จะได้รับการสำรวจในเชิงลึกมากขึ้นในการเปรียบเทียบนี้ การควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านแบบไร้เซนเซอร์และแบบ Hall-Effect และภาพรวมของเรื่องนี้ วิธีที่ตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC จัดการกับการสับเปลี่ยนในวงกว้างมากขึ้น .

การวินิจฉัยข้อผิดพลาดเซ็นเซอร์ฮอลล์ทั่วไป

มอเตอร์ที่กระตุก หยุดทำงานเมื่อสตาร์ท หรือวิ่งไปในทิศทางเดียวก่อนที่จะตัดออก แสดงอาการทั่วไปของปัญหาเซ็นเซอร์ฮอลล์ แทนที่จะเป็นข้อผิดพลาดที่คดเคี้ยว

• สัญญาณขาดหายไปหนึ่งช่อง: เซ็นเซอร์ที่ล้มเหลวเพียงตัวเดียวจะสร้างการรวมสถานะที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งตัวควบคุมส่วนใหญ่จะติดธงว่าเป็นข้อบกพร่อง แทนที่จะพยายามสับเปลี่ยนอย่างไม่ถูกต้อง
• การหมุนหยาบหรือกระตุกที่ความเร็วต่ำ: มักจะชี้ไปที่เซ็นเซอร์ที่ไม่ตรงแนวหรือเซ็นเซอร์ที่หลุดออกจากตำแหน่งเชิงมุมที่ถูกต้องซึ่งสัมพันธ์กับแม่เหล็กของโรเตอร์
• มอเตอร์หมุนผิดทิศทางหรือแผงลอยทันที: สามารถระบุสายไฟ Hall สองเส้นที่สลับระหว่างการซ่อมแซม หรือเซ็นเซอร์ต่อสายกับการอ้างอิงเฟสที่ไม่ถูกต้อง
• คัตเอาท์ไม่สม่ำเสมอภายใต้การสั่นสะเทือน: สัญญาณที่ชัดเจนของข้อต่อบัดกรีที่ร้าวหรือขั้วต่อทำงานหลวม แทนที่จะเป็นเซ็นเซอร์ที่ชำรุด

มัลติมิเตอร์บนแหล่งจ่ายไฟ 5V ของเซ็นเซอร์และพินกราวด์ยืนยันว่าพลังงานไปถึงบอร์ดเซ็นเซอร์ การตรวจสอบสายสัญญาณแต่ละเส้นกับกราวด์ในขณะที่หมุนเพลาช้าๆ ด้วยมือ ควรแสดงการเปลี่ยนผ่านระหว่างสูงและต่ำอย่างชัดเจนเมื่อขั้วแม่เหล็กแต่ละขั้วผ่าน สัญญาณที่ไม่เคยเปลี่ยนแปลง หรือการกะพริบอย่างผิดปกติ ชี้ไปที่เซ็นเซอร์เฉพาะนั้นหรือสายไฟแทนที่จะเป็นตัวควบคุม

จับคู่เอาต์พุตเซ็นเซอร์ฮอลล์กับตัวควบคุมมอเตอร์ของคุณ

มอเตอร์ที่ติดตั้งฮอลล์มีเพียงครึ่งหนึ่งของสมการเท่านั้น ตัวควบคุมที่ปลายอีกด้านของชุดสายไฟห้าสายนั้นจะต้องอ่านระดับลอจิกเดียวกันและคาดว่าจะมีการจัดเรียงเซ็นเซอร์แบบเดียวกัน

ก่อนที่จะจับคู่มอเตอร์และตัวควบคุม ให้ยืนยันว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ Hall ตรงกับเอาต์พุตของตัวควบคุม — ลอจิก 5V และ 3.3V ไม่สามารถเปลี่ยนแทนกันได้หากไม่มีตัวเปลี่ยนระดับ — และตรวจสอบว่าอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์ตำแหน่งของตัวควบคุมได้รับการกำหนดค่าสำหรับอินพุต Hall แทนที่จะเป็นสัญญาณตัวเข้ารหัสหรือรีโซลเวอร์ คอนโทรลเลอร์ที่รองรับวิธีการตรวจจับที่หลากหลายให้ความยืดหยุ่นที่นี่ ที่ ตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC ที่เข้ากันได้สูงซีรีส์ R2 ตัวอย่างเช่น ทำงานร่วมกับมอเตอร์ทั้งแบบเซนเซอร์ Hall-Effect และแบบไม่มีเซนเซอร์ ซึ่งช่วยให้การสลับระหว่างประเภทมอเตอร์ทำได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ สำหรับคำแนะนำในการจับคู่รุ่นคอนโทรลเลอร์เฉพาะกับข้อกำหนดมอเตอร์ที่ติดตั้ง Hall ให้ทำดังนี้ การอ้างอิงการจับคู่ตัวควบคุมและมอเตอร์ เดินผ่านพารามิเตอร์ที่ต้องจัดตำแหน่ง เต็ม กลุ่มผลิตภัณฑ์คอนโทรลเลอร์มอเตอร์ BLDC ครอบคลุมคลาสแรงดันและกระแสสำหรับมอเตอร์ขนาดต่างๆ