Verwendung von BLDC-Hall-Sensoren als Positionsgeber – Teil 1

Die folgenden Informationen sollen bei der Interpretation des logischen Ausgangs des Hall-Sensors zum Bestimmen von Position, Richtung und Geschwindigkeit helfen. Obwohl der Ausgang für die Motorkommutierung verwendet werden kann, wird dieser Aspekt des Betriebs bürstenloser DC-Motoren (BLDC-Motoren) hier nicht erläutert.

Übersicht

Einige bürstenlose DC-Motoren (BLDC-Motoren) sind mit drei internen Hall-Effekt-Sensoren ausgestattet, die eine Rückmeldung an externe Stromkreise liefern, die eine präzise Steuerung der Magnetspulen im Stator ermöglichen. Einige Arten von BLDC-Controllern verwenden die intrinsische rückwirkende EMK des Motors und lassen die Hall-Effekt-Sensoren ungenutzt. In beiden Fällen können die Hall-Sensoren auch zur genauen Positionserfassung verwendet werden.

Ein beliebter BLDC-Motor ist der Typ, der in der Personenbeförderung verwendet wird, wie z. B. bei motorisierten Skateboards, Hoverboards, Rollern und Kompaktfahrrädern. Für dieses Beispiel wird ein Einwellen-Nabenmotor mit einem Durchmesser von 10 Zoll verwendet, der häufig in selbstbalancierenden Hoverboards verwendet wird (Abbildung 1). Dieser Motortyp ist ein hoch belastbarer Außenläufer-BLDC, was bedeutet, dass der auf der Welle montierte Stator feststehend ist, während sich das Motorgehäuse dreht.

Abbildung 1

Aufbau des BLDC

Der in diesem Experiment verwendete BLDC-Nabenmotor verfügt über 27 elektromagnetische Statorspulen und 30 Permanentmagnete (auch als 15 Polpaare bezeichnet) (Abbildung 2). Viele Diagramme zeigen die Hall-Effekt-Sensoren, die als U, V und W im äquidistanten Abstand (120 Grad) um die Statorspulen herum bezeichnet sind. Die Sensoren sind äquidistant zueinander angeordnet, aber die meisten befinden sich auf einer Seite des Stators (Abbildung 3).

Abbildung 2

Abbildung 3

Hinweis: Die Sensorbeschriftungen (U, V, W) werden basierend auf dem internen Farbcode des Drahtes zugeordnet. Für dieses Experiment ist die Sensorbeschriftung willkürlich.

Die Magie der 3 in den BLDCs

Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, sind die Hall-Sensoren in den Spulenflächen zentriert. Die Mitte-zu-Mitte-Spanne zwischen zwei beliebigen Sensoren besteht aus drei Spulen, was zu einem Abstand von 40 Grad führt.

2 volle Spulen + 2 halbe Spulen = 3 Spulenspannen

360 Grad / 27 Spulen x 3 Spulenspannen = 40 Grad

Diese Konfiguration ergibt die gleichen Ausgangswerte, als ob die Sensoren physikalisch 120 Grad voneinander entfernt wären. Ein Drittel der Magnete wird jeden Sensor passieren, was zu 10 Impulsen von jedem Sensor führt. Zusammen liefern die Sensoren 30 Impulse pro 120 Grad oder 90 Impulse in einer kompletten Umdrehung.

9/27 (Spulen) = 10/30 (Magnete) = 120/360 (Grad) = 30/90 (Impulse) = 1/3 (einer Umdrehung). Prima!

Abbildung 4

Hinweis: Bei den Impulsen handelt es sich um einen Übergang von einem High-Pegel zu einem Low-Pegel oder umgekehrt. Obwohl die Sensoren zusammen 90 Impulse pro Umdrehung liefern, ergeben insgesamt 15 High-Pegel- und 15 Low-Pegel-Impulse (15 Polpaare) pro Sensor 6 einzigartige Binärkombinationen (90 Impulse / 15 Paare = 6). Siehe Abbildung 4 zur Verdeutlichung.

Die Sensorwerte werden unmittelbar nach jedem Übergang von High-Pegel zu Low-Pegel oder von Low-Pegel zu High-Pegel ermittelt. In einem Sensorzyklus hat jeder Sensor einen High-Pegel- und einen Low-Pegel-Übergang, was zu sechs Gesamtübergängen und sechs Binärkombinationen führt. Aufgrund des Versatzes, der durch 27 Spulen entsteht, die über 30 Magnete verteilt sind, befinden sich niemals alle Sensorausgänge gleichzeitig auf High-Pegel (111) oder auf Low-Pegel (000).

Zusammenfassung

Unabhängig davon, welche einzelne Sensorausgangs-Rechteckwelle nach einem Übergang untersucht wird, einer der verbleibenden Sensoren folgt, während der andere führend ist (einer liefert einen High-Pegel, der andere einen Low-Pegel). Aus diesem Grund spielt es keine Rolle, welche Anordnung von Sensorausgängen Sie beim Ablesen der Werte verwenden. Die einzige betroffene Berechnung ist die Drehrichtung.

Die animierte Darstellung (Abbildung 5) zeigt den Sensorausgang bei jedem Übergang und die Beziehung zwischen den zehn Permanentmagneten und den drei sensorischen Spulen. Zwischenspulen ohne Sensor werden zur besseren Übersichtlichkeit weggelassen.

Abbildung 5

Zusätzliche Ressourcen:

Verwendung von BLDC-Hall-Sensoren als Positionsgeber

Teil 2 – Verwendung des Analysators „Analog Discovery 2“ von Digilent zur Visualisierung des Ausgangs von BLDC-Hall-Sensoren

Teil 3 – Verwendung eines Teensy-3.5-Mikrocontrollers zur Berechnung von Position, Richtung und Entfernung