Cảm biến hiệu ứng Hall hoạt động như thế nào trên động cơ bldc: Ứng dụng thực tế, Lựa chọn

Nếu bạn đã từng mở một động cơ DC không chổi than (BLDC) hoặc nghiên cứu bộ phận điện tử truyền động của nó, bạn có thể nhận thấy ba cảm biến hiệu ứng Hall nhỏ nằm gần rôto. Chúng rất dễ bị bỏ qua nhưng lại là một trong những thành phần quan trọng nhất trong điều khiển động cơ. Trong hướng dẫn này, chúng tôi giải thích cách hoạt động của cảm biến hiệu ứng Hall trong động cơ BLDC, tại sao động cơ cần nó và điều gì xảy ra khi tín hiệu cảm biến đến bộ điều khiển.

Tại Hongyang Motor, chúng tôi đã dành hơn ba thập kỷ để sản xuất động cơ DC không chổi than và các giải pháp động cơ vi mô khác. Cảm biến Hall có thể là một bộ phận rất nhỏ nhưng ảnh hưởng của nó đến hiệu suất và khả năng vận hành trơn tru là rất đáng kể.

Cảm biến hiệu ứng Hall là gì?

Hiệu ứng Hall là một hiện tượng vật lý được phát hiện vào năm 1879. Khi một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc chất bán dẫn mỏng và đặt một từ trường vuông góc với dòng điện, các điện tích chuyển động sẽ bị lệch. Điều này tạo ra một điện áp nhỏ trên vật liệu, vuông góc với cả dòng điện và từ trường. Cảm biến hiệu ứng Hall chỉ đơn giản là một thiết bị đo điện áp này và chuyển đổi nó thành tín hiệu logic.

Trong động cơ BLDC, cảm biến được đặt gần rôto. Khi nam châm vĩnh cửu trên rôto đi qua cảm biến, từ trường thay đổi sẽ chuyển đổi đầu ra của cảm biến. Sau đó, bộ điều khiển có thể cho biết cực bắc hay cực nam ở gần đó.

Tại sao động cơ BLDC cần cảm biến vị trí rôto

Không giống như động cơ chổi than có bộ chuyển mạch cơ học, động cơ BLDC dựa vào chuyển mạch điện tử. Các cuộn dây stato phải được cấp điện theo một trình tự chính xác và thời gian của trình tự đó phụ thuộc vào vị trí của rôto. Nếu bộ điều khiển cấp điện sai cuộn dây, động cơ sẽ không tạo ra mô-men xoắn hữu ích. Thay vào đó, nó có thể ngừng hoạt động, rung hoặc quá nóng.

Cảm biến Hall giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp cho bộ điều khiển phản hồi theo thời gian thực về vị trí của rôto. Ba cảm biến là đủ để xác định sáu trạng thái chuyển mạch, tương ứng với mô hình chuyển mạch sáu bước tiêu chuẩn được sử dụng trong hầu hết các động cơ BLDC ba pha.

Cảm biến Hall được sắp xếp như thế nào và chúng hoạt động cùng nhau như thế nào

Trong động cơ BLDC ba pha điển hình, ba cảm biến Hall được đặt cách nhau 60 độ điện. Một số thiết kế sử dụng khoảng cách 120 độ, nhưng khái niệm vẫn giữ nguyên. Các cảm biến thường được gắn trên một bảng cảm biến nhỏ ở cuối động cơ, phía sau vòng nam châm rôto. Mỗi cảm biến đọc từ trường ở mức cao hay thấp, tùy thuộc vào cực đối diện với nó là hướng bắc hay hướng nam.

Ba tín hiệu cùng nhau tạo thành mã 3 bit. Bởi vì mỗi chu trình điện có sáu đoạn 60 độ nên chỉ có sáu trong số tám trạng thái có thể được sử dụng. Bảng dưới đây thể hiện một bản đồ chung; mẫu chính xác có thể thay đổi tùy theo vị trí cảm biến và cấu hình cuộn dây động cơ.

Các mẫu trạng thái cảm biến Hall được đơn giản hóa để chuyển đổi sáu bước.
H1	H2	H3	Vị trí rôto (xấp xỉ)	Cuộn dây được cấp năng lượng
0	0	1	0°–60°	A → B
0	1	1	60°–120°	A → C
0	1	0	120°–180°	B → C
1	1	0	180°–240°	B → A
1	0	0	240°–300°	C → A
1	0	1	300°–360°	C → B

Khi bộ điều khiển nhận thấy sự thay đổi về trạng thái, nó biết rôto đã di chuyển 60 độ điện. Sau đó, nó chuyển các bóng bán dẫn biến tần sang bước tiếp theo, giữ từ trường stato ở phía trước rôto. Đây là lý do tại sao sự sắp xếp đôi khi được gọi là giao hoán sáu bước hoặc hình thang.

Từng bước: Cách cảm biến Hall điều khiển động cơ

Các cực nam châm của rôto đi qua phía trước ba cảm biến Hall.
Mỗi cảm biến phát ra tín hiệu cao hay thấp tùy thuộc vào cực tính của nó.
Ba đầu ra kết hợp thành trạng thái 3 bit.
Bộ điều khiển tra cứu trạng thái này trong bảng chuyển mạch của nó.
Nó chuyển đổi bộ biến tần ba pha để cấp điện cho cặp cuộn dây stato chính xác.
Từ trường stato tiến lên, kéo rôto đến vị trí tiếp theo.
Quá trình lặp lại, tạo ra vòng quay liên tục.

Tín hiệu Hall phải rõ ràng và đúng thời gian. Ngay cả một sai lệch nhỏ ở vị trí cảm biến cũng có thể khiến bộ điều khiển chuyển đổi sớm hoặc muộn, làm giảm hiệu quả và tăng tiếng ồn.

Cảm biến Hall so với Điều khiển không cảm biến: Chọn gì

Bộ điều khiển BLDC không cảm biến ước tính vị trí rôto từ lực điện động phía sau được tạo ra trong cuộn dây không được cấp điện. Nó loại bỏ cảm biến Hall, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa việc lắp ráp. Tuy nhiên, back-EMF không khả dụng khi động cơ dừng, do đó, việc khởi động không cảm biến thường phức tạp hơn và kém bền hơn khi chịu tải nặng.

Cảm biến Hall: vị trí chính xác ở tốc độ 0, khởi động mượt mà hơn, điều chỉnh đơn giản hơn.
Không cảm biến: ít thành phần hơn, chi phí thấp hơn, phù hợp với môi trường sạch và tốc độ cao.

Các ứng dụng như robot công nghiệp , thiết bị y tế và máy bay không người lái thường ưa chuộng các thiết kế cảm biến Hall vì chúng cần mô-men xoắn có thể dự đoán được khi đứng yên. Mặt khác, quạt và máy bơm có thể chạy không có cảm biến để giảm chi phí hệ thống.

Những gì chúng tôi đã học được trong quá trình sản xuất Động cơ BLDC cảm biến Hall

Trong hơn 30 năm chế tạo động cơ vi mô, chúng tôi nhận thấy rằng vị trí đặt cảm biến Hall là một trong những bước nhạy cảm nhất trong sản xuất. Các cảm biến phải được căn chỉnh nhất quán với các khe stato và nam châm rôto. Độ lệch cảm biến, chất lượng mối hàn và thậm chí độ dày của chất kết dính có thể ảnh hưởng đến thời gian. Thiết kế tốt và kiểm soát quy trình tạo ra sự khác biệt giữa một động cơ yên tĩnh, hiệu quả và một động cơ kêu vo vo hoặc mất mô-men xoắn.

Động cơ đẩy của máy bay không người lái là một ví dụ điển hình. Động cơ máy bay không người lái cần phản ứng ngay lập tức khi phi công thay đổi ga và nó phải khởi động ngay lập tức. Đó là lý do tại sao chúng tôi thiết kế động cơ DC không chổi than cho máy bay không người lái với cảm biến Hall được bố trí hợp lý và bảng điều khiển phù hợp. Nếu bạn đang chọn động cơ BLDC cho một sản phẩm nhỏ gọn, hiệu suất cao thì sơ đồ cảm biến Hall sẽ là một phần trong đánh giá của bạn chứ không phải là một phần suy nghĩ lại.

Kết thúc suy nghĩ

Cảm biến hiệu ứng Hall là cầu nối thực tế giữa vị trí rôto vật lý và bộ điều khiển điện tử trong động cơ BLDC. Chúng giúp chuyển mạch sáu bước trở nên đáng tin cậy, đặc biệt ở tốc độ thấp và chịu tải. Cho dù bạn đang thiết kế động cơ cho máy bay không người lái, robot hay thiết bị thông minh, việc hiểu cách hoạt động của các cảm biến này sẽ giúp bạn đánh giá thiết kế động cơ cẩn thận hơn và đặt câu hỏi phù hợp trước khi chọn nhà cung cấp.