BLDC hall-sensors als positie-encoders gebruiken – Deel 1

De volgende informatie is bedoeld om te helpen bij het interpreteren van logische uitgangssignalen van hall-sensors voor het bepalen van positie, richting en snelheid. Alhoewel de uitvoer ook kan worden gebruikt voor motor-commutatie, wordt dat aspect van de werking van BLDC-motors hier niet uitgelegd.

Overzicht

Sommige BLDC (Brushless DC)-motors zijn uitgerust met drie interne hall-effect sensors die feedback geven aan externe circuits die de precisieregeling van de magnetische spoelen in de stator vergemakkelijken. Sommige types BLDC-controllers gebruiken de intrinsieke Back EMF van de motor zonder gebruik te maken van de hall-effect sensors. In beide gevallen kunnen de hall-sensors ook worden gebruikt voor nauwkeurige positiedetectie.

Een populaire BLDC-motor is het type dat wordt gebruikt voor personenvervoersmiddelen, bijvoorbeeld gemotoriseerde skateboards, hoverboards, scooters en compacte fietsen. Voor dit voorbeeld wordt een naafmotor met enkele as met diameter van 10 inch gebruikt, van het type dat vaak wordt aangetroffen op zelfbalancerende hoverboards (Afbeelding 1). Dit type motor is een zogeheten heavy-duty out-runner BLDC, wat betekent dat de op de as gemonteerde stator stationair is, terwijl het motorhuis draait.

Afbeelding 1

Anatomie van de BLDC

De BLDC-naafmotor die in dit experiment wordt gebruikt heeft 27 elektromagnetische statorspoelen en 30 permanente magneten (ook wel aangeduid als 15 poolparen) (Afbeelding 2). Veel schema's tonen de hall-effect-sensors, gelabeld als U, V en W, op gelijke tussenafstanden van elkaar (120 graden) rond de statorspoelen. De sensors zitten op gelijke afstand van elkaar maar de meesten bevinden zich aan één kant van de stator (Afbeelding 3).

Afbeelding 2

Afbeelding 3

Opmerking: de sensorlabels (U, V, W) worden toegewezen op basis van de interne draadkleurcode. Voor dit experiment is de labeling van de sensors willekeurig.

De magie van het getal 3 in BLDC's

Zoals in Afbeelding 3 te zien is, zijn de hall-sensors gecentreerd in de vlakken van de spoelen. De spanwijdte van middelpunt tot middelpunt tussen ieder willekeurig paar van twee sensors bedraagt drie spoelen, wat betekent dat ze 40 graden van elkaar gescheiden zijn.

2 hele spoelen + 2 halve spoelen = spanwijdte 3 spoelen

360 graden / 27 spoelen * spanwijdte 3 spoelen = 40 graden

Deze configuratie levert dezelfde uitgangswaarden op als wanneer de sensors fysiek 120 graden van elkaar gescheiden waren. Een derde van de magneten zal voorbij elk van de sensors passeren, hetgeen resulteert in 10 impulsen van elke sensor. Samen zullen de sensors 30 impulsen per 120 graden of 90 impulsen in een complete omwenteling leveren.

9/27 (spoelen) = 10/30 (magneten) = 120/360 (graden) = 30/90 (impulsen) = 1/3 (van één rotatie). Netjes!

Afbeelding 4

Opmerkingen: impulsen zijn een overgang van uitvoer van hoog naar laag of omgekeerd. Alhoewel de sensors samen 90 impulsen per omwenteling leveren, resulteert een totaal van 15 hoge en 15 lage impulsen (15 poolparen) per sensor in 6 unieke binaire combinaties (90 pulsen / 15 paren = 6). Zie Afbeelding 4 voor een verduidelijking.

De sensorwaarden worden onmiddellijk na elke overgang van hoog naar laag of laag naar hoog bepaald. In één sensorcyclus heeft elke sensor één hoge overgang en één lage overgang, hetgeen resulteert in zes totale overgangen en zes binaire combinaties. Als gevolg van de offset die ontstaat doordat er 27 spoelen zijn, welke zijn verdeeld over 30 magneten, zijn de sensoruitgangen nooit op hetzelfde moment allemaal hoog (111) of allemaal laag (000).

Samenvatting

Ongeacht welke enkele sensoruitgangsblokgolf na een overgang wordt onderzocht, een van de overblijvende sensors loopt achteraan terwijl de andere voorop loopt (de ene is hoog terwijl de andere laag is). Dit is de reden waarom het niet uitmaakt welke indeling van sensoruitgangen er wordt gebruikt bij het aflezen van waarden. De enige berekening waar dit effect op heeft is de draairichting.

De animatie (Afbeelding 5) toont de sensoruitgang bij elke overgang en de relatie tussen de tien permanente magneten en de drie spoelen met sensor. Tussenspoelen zonder sensor zijn voor de duidelijkheid niet afgebeeld.

Afbeelding 5

Aanvullend documentatiemateriaal:

BLDC Hall-sensors als positie-encoders gebruiken

Deel 2 – Een Analog Discovery 2-analysator van Diligent gebruiken om BLDC hall-sensoruitvoer te visualiseren

Deel 3 – Een Teensy 3.5 microcontroller gebruiken om positie, richting en afstand te berekenen