เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ทำงานอย่างไรกับมอเตอร์ bldc: การใช้งานจริง, การเลือก

หากคุณเคยเปิดมอเตอร์ DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) หรือศึกษาระบบอิเล็กทรอนิกส์ขับเคลื่อนของมอเตอร์ คุณอาจสังเกตเห็นเซ็นเซอร์ Hall Effect ขนาดเล็กสามตัววางอยู่ใกล้โรเตอร์ มองข้ามได้ง่าย แต่ก็เป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการควบคุมมอเตอร์ ในคู่มือนี้ เราจะอธิบายวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์ในมอเตอร์ BLDC เหตุใดมอเตอร์จึงต้องการมัน และจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อสัญญาณเซ็นเซอร์ไปถึงตัวควบคุม

ที่ Hongyang Motor เราใช้เวลามากกว่าสามทศวรรษในการผลิต มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน และโซลูชั่นไมโครมอเตอร์อื่นๆ เซ็นเซอร์ Hall อาจเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ แต่อิทธิพลต่อประสิทธิภาพและการทำงานที่ราบรื่นเป็นสิ่งสำคัญ

เซนเซอร์ Hall Effect คืออะไร?

ปรากฏการณ์ฮอลเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2422 เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำบางหรือเซมิคอนดักเตอร์และมีสนามแม่เหล็กทำมุมฉากกับกระแสไฟฟ้า ประจุที่เคลื่อนที่จะถูกเบี่ยงเบนไป สิ่งนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยทั่ววัสดุ ตั้งฉากกับทั้งกระแสและสนามแม่เหล็ก เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เป็นเพียงอุปกรณ์ที่ใช้วัดแรงดันไฟฟ้านี้และแปลงเป็นสัญญาณลอจิก

ในมอเตอร์ BLDC เซ็นเซอร์จะวางอยู่ใกล้โรเตอร์ เมื่อแม่เหล็กถาวรบนโรเตอร์เคลื่อนผ่านเซ็นเซอร์ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสลับเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ ผู้ควบคุมสามารถบอกได้ว่ามีขั้วเหนือหรือขั้วใต้อยู่ใกล้ๆ

เหตุใดมอเตอร์ BLDC จึงจำเป็นต้องมีการตรวจจับตำแหน่งของโรเตอร์

ต่างจากมอเตอร์แบบมีแปรงถ่านที่มีตัวสับเปลี่ยนเชิงกล มอเตอร์ BLDC อาศัยการสับเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ ขดลวดสเตเตอร์จะต้องได้รับการจ่ายพลังงานในลำดับที่แม่นยำ และเวลาของลำดับนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งของโรเตอร์ หากตัวควบคุมจ่ายไฟให้กับขดลวดที่ไม่ถูกต้อง มอเตอร์จะไม่สร้างแรงบิดที่มีประโยชน์ แต่อาจหยุดทำงาน สั่น หรือร้อนเกินไปแทน

เซ็นเซอร์ฮอลล์แก้ปัญหานี้โดยให้ข้อเสนอแนะแบบเรียลไทม์แก่คอนโทรลเลอร์ว่าโรเตอร์อยู่ที่ไหน เซ็นเซอร์ 3 ตัวเพียงพอที่จะกำหนดสถานะการเปลี่ยน 6 สถานะ ซึ่งสอดคล้องกับรูปแบบการเปลี่ยน 6 ขั้นตอนมาตรฐานที่ใช้ในมอเตอร์ BLDC สามเฟสส่วนใหญ่

วิธีการจัดเรียงเซนเซอร์ Hall และการทำงานร่วมกันอย่างไร

ในมอเตอร์ BLDC สามเฟสทั่วไป เซ็นเซอร์ฮอลล์สามตัวจะเว้นระยะห่างกัน 60 องศาทางไฟฟ้า การออกแบบบางแบบใช้ระยะห่าง 120 องศา แต่แนวคิดยังคงเหมือนเดิม โดยปกติเซ็นเซอร์จะติดตั้งอยู่บนแผงเซ็นเซอร์ขนาดเล็กที่ส่วนท้ายของมอเตอร์ ด้านหลังวงแหวนแม่เหล็กโรเตอร์ เซ็นเซอร์แต่ละตัวจะอ่านสนามแม่เหล็กว่าสูงหรือต่ำ ขึ้นอยู่กับว่าขั้วที่หันหน้าไปทางทิศเหนือหรือทิศใต้

สัญญาณทั้งสามรวมกันเป็นรหัส 3 บิต เนื่องจากแต่ละวงจรไฟฟ้ามีหกส่วน 60 องศา จึงมีการใช้สถานะที่เป็นไปได้เพียงหกจากแปดสถานะเท่านั้น ตารางด้านล่างแสดงการแมปทั่วไปรายการหนึ่ง รูปแบบที่แน่นอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์และการกำหนดค่าขดลวดมอเตอร์

รูปแบบสถานะเซ็นเซอร์ Hall ที่เรียบง่ายสำหรับการเปลี่ยนหกขั้นตอน
H1	H2	H3	ตำแหน่งโรเตอร์ (โดยประมาณ)	ขดลวดมีพลังงาน
0	0	1	0°–60°	ก → บี
0	1	1	60°–120°	เอ → ซี
0	1	0	120°–180°	บี → ซี
1	1	0	180°–240°	บี → ก
1	0	0	240°–300°	ซี → ก
1	0	1	300°–360°	ซี → บี

เมื่อตัวควบคุมเห็นการเปลี่ยนแปลงในสถานะ จะรู้ว่าโรเตอร์เคลื่อนที่ไป 60 องศาไฟฟ้า จากนั้นจะสลับทรานซิสเตอร์อินเวอร์เตอร์ไปยังขั้นตอนถัดไป โดยรักษาสนามสเตเตอร์ไว้ข้างหน้าโรเตอร์ นี่คือสาเหตุที่บางครั้งการจัดเรียงนี้เรียกว่าการสับเปลี่ยนหกขั้นตอนหรือสี่เหลี่ยมคางหมู

ทีละขั้นตอน: เซ็นเซอร์ฮอลล์ควบคุมมอเตอร์อย่างไร

ขั้วแม่เหล็กของโรเตอร์จะผ่านหน้าเซ็นเซอร์ฮอลล์ทั้งสามตัว
เซ็นเซอร์แต่ละตัวจะส่งสัญญาณสูงหรือต่ำออกขึ้นอยู่กับขั้วข้างใต้
เอาต์พุตทั้งสามรวมกันเป็นสถานะ 3 บิต
คอนโทรลเลอร์จะค้นหาสถานะนี้ในตารางการแลกเปลี่ยน
โดยจะสลับอินเวอร์เตอร์สามเฟสเพื่อจ่ายพลังงานให้กับขดลวดสเตเตอร์คู่ที่ถูกต้อง
สนามสเตเตอร์เคลื่อนไปข้างหน้า โดยดึงโรเตอร์ไปยังตำแหน่งถัดไป
กระบวนการนี้เกิดซ้ำ ทำให้เกิดการหมุนอย่างต่อเนื่อง

สัญญาณฮอลล์จะต้องสะอาดและตรงเวลา แม้แต่ออฟเซ็ตเล็กๆ ในตำแหน่งเซ็นเซอร์ก็อาจทำให้คอนโทรลเลอร์เปลี่ยนเร็วหรือช้า ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงและเพิ่มเสียงรบกวน

เซ็นเซอร์ฮอลล์กับการควบคุมแบบไร้เซ็นเซอร์: จะเลือกอะไรดี

การควบคุม BLDC แบบไร้เซ็นเซอร์จะประมาณตำแหน่งโรเตอร์จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าด้านหลังซึ่งสร้างขึ้นในการพันขดลวดที่ไม่มีกำลัง กำจัดเซ็นเซอร์ Hall ซึ่งช่วยลดต้นทุนและทำให้การประกอบง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม back-EMF จะไม่สามารถใช้งานได้เมื่อมอเตอร์หยุดทำงาน ดังนั้นการสตาร์ทแบบไร้เซ็นเซอร์มักจะยุ่งยากกว่าและมีความทนทานน้อยกว่าภายใต้ภาระหนัก

เซ็นเซอร์ฮอลล์: ตำแหน่งที่แม่นยำที่ความเร็วเป็นศูนย์ การสตาร์ทที่ราบรื่นยิ่งขึ้น การปรับแต่งที่ง่ายขึ้น
ไร้เซนเซอร์: ส่วนประกอบน้อยลง ต้นทุนลดลง เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีความเร็วสูงและสะอาด

การใช้งานเช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรม อุปกรณ์ทางการแพทย์ และโดรนมักชอบการออกแบบเซ็นเซอร์ฮอลล์ เนื่องจากต้องใช้แรงบิดที่คาดเดาได้จากการหยุดนิ่ง ในทางกลับกัน พัดลมและปั๊มอาจทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์เพื่อลดต้นทุนของระบบ

สิ่งที่เราได้เรียนรู้ในการผลิตมอเตอร์ BLDC เซ็นเซอร์ฮอลล์

ตลอดระยะเวลากว่า 30 ปีของการผลิตไมโครมอเตอร์ เราพบว่าการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์ Hall เป็นหนึ่งในขั้นตอนที่ละเอียดอ่อนที่สุดในการผลิต เซ็นเซอร์ต้องอยู่ในแนวเดียวกันกับช่องสเตเตอร์และแม่เหล็กของโรเตอร์ การเคลื่อนตัวของเซ็นเซอร์ คุณภาพการบัดกรี และแม้แต่ความหนาของกาวก็อาจส่งผลต่อจังหวะเวลาได้ การออกแบบที่ดีและการควบคุมกระบวนการสร้างความแตกต่างระหว่างมอเตอร์ที่เงียบและมีประสิทธิภาพกับมอเตอร์ที่ส่งเสียงฮัมหรือสูญเสียแรงบิด

การขับเคลื่อนด้วยโดรนเป็นตัวอย่างที่ดี มอเตอร์โดรนต้องการการตอบสนองทันทีเมื่อนักบินเปลี่ยนคันเร่ง และต้องสตาร์ทโดยไม่ลังเลใจ นั่นคือเหตุผลที่เราออกแบบมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสำหรับโดรนที่มีเซ็นเซอร์ Hall อยู่ในตำแหน่งที่ดีและบอร์ดไดรเวอร์ที่เข้ากัน หากคุณกำลังเลือกมอเตอร์ BLDC สำหรับผลิตภัณฑ์ขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง รูปแบบเซ็นเซอร์ Hall ควรเป็นส่วนหนึ่งของการประเมินของคุณ ไม่ใช่สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในภายหลัง

ปิดความคิด

เซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์เป็นสะพานเชื่อมระหว่างตำแหน่งทางกายภาพของโรเตอร์และตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ในมอเตอร์ BLDC ทำให้การสับเปลี่ยนหกขั้นตอนเชื่อถือได้ โดยเฉพาะที่ความเร็วต่ำและอยู่ภายใต้ภาระ ไม่ว่าคุณจะออกแบบมอเตอร์สำหรับโดรน หุ่นยนต์ หรืออุปกรณ์อัจฉริยะ การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์เหล่านี้จะช่วยให้คุณประเมินการออกแบบมอเตอร์ได้ละเอียดยิ่งขึ้น และถามคำถามที่ถูกต้องก่อนเลือกซัพพลายเออร์