Utilizzare sensori Hall sui BLDC come encoder di posizione - Parte 1

Questo articolo è un contributo all'interpretazione delle uscite logiche dei sensori Hall in relazione alla determinazione della posizione, della direzione e della velocità. Sebbene l'uscita possa servire per la commutazione dei motori BLDC, qui non tratteremo questo aspetto.

Panoramica

Alcuni motori BLDC (motori c.c. brushless) sono provvisti di tre sensori interni a effetto Hall che inviano la retroazione ai circuiti esterni per facilitare un controllo accurato delle bobine magnetiche dello statore. Alcune tipologie di controller BLDC sfruttano la f.c.e.m. intrinseca al motore senza utilizzare i sensori a effetto Hall. In entrambi i casi, è possibile utilizzare i sensori Hall anche per il rilevamento accurato della posizione.

Motori BLDC molto diffusi sono quelli utilizzati per il trasporto personale come gli skateboard motorizzati, gli hoverboard, gli scooter e le biciclette pieghevoli. Nell'esempio che segue, viene utilizzato un motore a dinamo monoasse con diametro da 25,4 cm, montato comunemente sugli hoverboard autobilanciati (figura 1). È un motore BLDC outrunner per impieghi gravosi, dove lo statore montato sull'albero è fermo e a ruotare è l'alloggiamento del motore.

Figura 1

Anatomia di un motore BLDC

Il motore a dinamo usato per questo esperimento ha 27 bobine elettromagnetiche sullo statore e 30 magneti permanenti, ovvero 15 coppie di poli (Figura 2). In molti schemi i sensori a effetto Hall, etichettati come U, V e W sono posizionati alla stessa distanza (120 gradi) attorno alle bobine dello statore. I sensori sono equidistanti l'uno dall'altro ma la maggior parte di essi si trova su un lato dello statore (Figura 3).

Figura 2

Figura 3

Nota: Le etichette dei sensori (U, V, W) vengono assegnate in base al codice colore dei fili interni. Ai fini del nostro esperimento l'etichettatura dei sensori è arbitraria.

La magia del numero 3 nei motori BLDC

Come si vede nella Figura 3, i sensori Hall sono centrati sulle facce delle bobine. La distanza da centro a centro tra due sensori qualsiasi è di tre bobine, che fanno 40 gradi di separazione.

2 bobine complete + 2 semi bobine= 3 passi di avvolgimento

360 gradi / 27 bobine * 3 passi di avvolgimento = 40 gradi

In questa configurazione, l'uscita ha valori equivalenti a quelli che verrebbero generati se i sensori fossero distanziati di 120 gradi. Un terzo dei magneti passerà vicino a ciascun sensore, generando 10 impulsi per ciascun sensore. Insieme, i sensori produrranno 30 impulsi per 120 gradi oppure 90 impulsi per una rivoluzione completa.

9/27 (bobine) = 10/30 (magneti) = 120/360 (gradi) = 30/90 (impulsi) = 1/3 (singola rotazione). Forte!

Figura 4

Nota: gli impulsi rappresentano la transizione dell'uscita da alta a basso o viceversa. Sebbene i sensori insieme generino 90 impulsi per rivoluzione, 15 impulsi alti e 15 impulsi bassi (15 coppie di poli) per sensore generano 6 combinazioni binarie uniche (90 impulsi/ 15 coppie = 6). La Figura 4 è esplicativa.

I valori dei sensori vengono determinati immediatamente dopo una qualsiasi transizione da alto o basso o viceversa. Nel ciclo di un sensore, ogni sensore ha una transizione alta e una bassa, per un totale di sei transizioni totali e sei combinazioni binarie. A causa dell'offset creato dalla presenza di 27 bobine posizionate su 30 magneti, le uscite dei sensori non sono mai tutte alte (111) oppure tutte basse (000) nello stesso momento.

Conclusioni

A prescindere dal segnale a onda quadra del sensore singolo esaminato dopo una transizione, uno dei sensori rimanenti è sul fronte di discesa mentre l'altro è sul fronte di salita (uno è alto e l'altro è basso). Questa è la ragione per cui non importa qual è la disposizione delle uscite dei segnali che utilizzate per leggere i valori. L'unico calcolo che ne risente è la direzione di rotazione.

La figura animata (Figura 5) mostra l'uscita del sensore ad ogni transizione e la relazione tra i dieci magneti permanenti e le tre bobine dotate di sensori. Le bobine intermedie prive di sensori sono state omesse per evitare confusione.

Figura 5

Altre risorse:

Utilizzare sensori Hall su motori BLDC come encoder di posizione

Parte 2 – Utilizzare un analizzatore AD2 di Digilent per visualizzare l'uscita di sensori Hall su motori BLDC

Parte 3 – Utilizzare un microcontroller Teensy 3.5 per calcolare posizione, direzione e distanza