Sensore Hall BLDC: come funziona, tipi e guida alla risoluzione dei problemi

Cos'è un sensore Hall in un motore BLDC

Togli il cappuccio terminale dalla maggior parte dei motori CC senza spazzole e troverai tre minuscoli componenti raggruppati vicino agli avvolgimenti, ciascuno appena più grande di un chicco di riso. Quelli sono i sensori Hall e senza di essi – o senza un sostituto come il rilevamento EMF posteriore – il motore non ha modo di sapere in che direzione spingere.

Un sensore Hall rileva i campi magnetici utilizzando l'effetto Hall: quando un campo magnetico passa perpendicolarmente a un elemento percorso da corrente, spinge i portatori di carica da un lato, producendo una tensione misurabile. In un motore BLDC, tre di questi sensori si trovano sullo statore vicino all'estremità non di comando, posizionati in modo che i magneti permanenti del rotore li superino mentre l'albero gira. Ciascun sensore passa al livello alto o basso a seconda che ci sia un polo nord o sud nelle vicinanze e la combinazione di tutti e tre i segnali indica al controller esattamente dove si trova il rotore in qualsiasi istante, anche quando il motore non è in movimento.

Come i sensori Hall guidano la commutazione

Un motore BLDC trifase necessita che la corrente dell'avvolgimento venga commutata nella sequenza corretta per mantenere il rotore in rotazione, un processo chiamato commutazione. I sensori Hall lo rendono possibile fornendo al controller una lettura diretta della posizione del rotore, anziché forzarlo a dedurre indirettamente la posizione.

Con tre sensori distanziati attorno allo statore, i magneti del rotore producono una delle sei possibili combinazioni alto/basso mentre attraversa una rivoluzione elettrica completa. Ciascuna combinazione corrisponde a uno specifico settore di 60° e il controller utilizza una tabella di ricerca per decidere quali due delle tre fasi devono essere energizzate per quel settore. Man mano che il rotore avanza nel settore successivo, il modello Hall cambia, il controller passa alla coppia di avvolgimenti successiva e il campo magnetico rotante continua a spingere il rotore in avanti: sei passi discreti per ciclo elettrico, noti come commutazione trapezoidale o a sei passi.

Questo è anche il motivo per cui i sensori Hall sono più importanti a motore fermo e a bassa velocità. Un controller che si basa sulla back-EMF non ha nulla da leggere finché il motore non gira già abbastanza velocemente da generare un segnale utilizzabile; un motore dotato di sensore Hall segnala la sua posizione dal momento in cui viene applicata l'alimentazione, motivo per cui i progetti dotati di sensori si avviano in modo pulito sotto carico senza alcuna ipotesi ad anello aperto.

Tipi di sensori ad effetto Hall

Non tutti i sensori Hall si comportano allo stesso modo e la distinzione è importante quando si specifica o si risolve un problema su un motore.

• Sensori digitali unipolari si accendono quando uno dei poli magnetici passa nelle vicinanze e si spengono quando il campo diminuisce. Sono semplici ed economici ma meno comuni nella commutazione BLDC perché non distinguono in modo così netto la polarità dei poli.
• Sensori digitali bipolari (latching). si accendono in presenza di un polo e si spengono solo quando arriva il polo opposto, mantenendo il loro stato intermedio. Questo comportamento di latch fornisce transizioni pulite e ripetibili ed è la scelta standard per la commutazione BLDC.
• Sensori analogici (lineari). emettono una tensione proporzionale all'intensità del campo anziché un semplice segnale on/off. Vengono utilizzati meno spesso per la commutazione di base, ma vengono visualizzati in applicazioni che richiedono una risoluzione della posizione più precisa tramite l'interpolazione.

Criteri di selezione chiave

La scelta di un sensore Hall, o la valutazione di uno già integrato in un motore, si riduce a una serie di parametri che influiscono direttamente sulla precisione di commutazione e sull'efficienza del motore.

In questo articolo è disponibile un'analisi tecnica più approfondita di questi parametri, incluso il modo in cui i valori BOP e BRP vengono letti da una scheda tecnica Guida alla selezione del sensore ad effetto Hall di Portescap .

Controllo BLDC con sensore o senza sensore

I sensori Hall non sono l'unico modo per commutare un motore BLDC e l'alternativa, ovvero il controllo basato su back-EMF senza sensori, scambia un insieme di punti di forza con un altro.

I motori con sensori forniscono una coppia di avviamento affidabile sotto carico, poiché la posizione è nota anche a zero giri/min, e resistono bene in applicazioni con frequenti avviamenti, arresti o cambi di direzione. Il costo è un cablaggio aggiuntivo, in genere un cablaggio a cinque fili, e un componente in più che può guastarsi a causa del calore, delle vibrazioni o di un connettore difettoso. Il controllo sensorless elimina completamente il cablaggio e il punto di guasto associato, ma non può determinare la posizione del rotore finché il motore non gira già abbastanza velocemente da generare back-EMF rilevabile, il che significa una rampa di avvio ad anello aperto prima che subentri il controllo ad anello chiuso.

Per i motori che funzionano continuamente a velocità da moderata ad alta (ventilatori, pompe, propulsione di droni), i design senza sensori sono spesso la scelta più pratica. Per tutto ciò che necessita di una coppia affidabile da fermo (sollevatori a trasmissione diretta, posizionamento in stile servo, motori del mozzo di e-bike che si allontanano da una fermata su una collina) i sensori Hall rimangono la scommessa più sicura. Questo compromesso viene esplorato in modo più approfondito in questo confronto tra controllo del motore brushless con sensore sensorless rispetto a quello ad effetto Hall , e questa panoramica di il modo in cui i controller dei motori BLDC gestiscono la commutazione in modo più ampio .

Diagnosi dei guasti del sensore Hall comune

Un motore che sussulta, si blocca all'avvio o gira in una sola direzione prima di spegnersi mostra i classici sintomi di un problema al sensore Hall piuttosto che di un guasto all'avvolgimento.

• Segnale mancante su un canale: un singolo sensore guasto produce una combinazione di stati non valida, che la maggior parte dei controller segnalerà come guasto anziché tentare di commutare in modo errato.
• Rotazione brusca o a scatti a bassa velocità: spesso indica un sensore disallineato o uno che si è spostato dalla sua posizione angolare corretta rispetto ai magneti del rotore.
• Il motore gira nella direzione sbagliata o va in stallo immediatamente: può indicare che due fili Hall sono stati scambiati durante una riparazione o che un sensore è collegato al riferimento di fase errato.
• Disinserimento intermittente sotto vibrazione: un forte segno di un giunto di saldatura rotto o di un connettore allentato piuttosto che di un sensore guasto stesso.

Un multimetro sull'alimentazione a 5 V del sensore e sui pin di terra conferma che l'alimentazione sta raggiungendo la scheda del sensore; controllando ciascun filo di segnale rispetto a terra mentre si ruota lentamente l'albero a mano dovrebbe mostrare transizioni nette tra alto e basso al passaggio di ciascun polo magnetico. Un segnale che non cambia mai, o che lampeggia in modo irregolare, punta a quel sensore specifico o al suo cablaggio piuttosto che al controller.

Abbinamento dell'uscita del sensore Hall al controller del motore

Un motore dotato di Hall è solo metà dell’equazione: il controller all’altra estremità del cablaggio a cinque fili deve leggere gli stessi livelli logici e aspettarsi la stessa disposizione dei sensori.

Prima di associare un motore e un controller, verificare che la tensione di alimentazione Hall corrisponda a quella emessa dal controller (la logica 5 V e 3,3 V non è intercambiabile senza un traslatore di livello) e che l'interfaccia del sensore di posizione del controller sia configurata per l'ingresso Hall anziché per i segnali dell'encoder o del risolutore. I controller che supportano più metodi di rilevamento offrono flessibilità in questo caso; il Controller motore BLDC ad alta compatibilità serie R2 , ad esempio, funziona sia con motori con sensore a effetto Hall che con motori sensorless, il che semplifica il passaggio da un tipo di motore all'altro senza modificare l'hardware. Per indicazioni sull'abbinamento di modelli di controller specifici alle specifiche dei motori dotati di Hall, questo riferimento per l'abbinamento del controller e del motore esamina i parametri che devono essere allineati. Il pieno Linea di controller per motori BLDC copre una gamma di classi di tensione e corrente per motori di diverse dimensioni.