Cảm biến hiệu ứng Hall hoạt động như thế nào trên động cơ BLDC? Hướng dẫn đầy đủ

Hãy xem xét một động cơ DC không chổi than ba pha bắt đầu kêu vo vo, tiêu thụ dòng điện quá mức và từ chối quay. Các cuộn dây còn nguyên vẹn, bộ điều khiển được cấp nguồn và nam châm được từ hóa hoàn toàn. Nguyên nhân cốt lõi phổ biến nhất trong tình huống này không phải là bộ phận bị cháy mà là do thiếu tín hiệu: bộ điều khiển không biết rôto ở đâu.

Động cơ DC không chổi than không có cổ góp cơ học và không có chổi than. Do đó, bộ điều khiển phải được thông báo về vị trí rôto trước khi có thể cấp điện cho cuộn dây stato chính xác vào đúng thời điểm. Trong hầu hết các động cơ BLDC loại quạt, bộ phận cung cấp thông tin vị trí này là cảm biến hiệu ứng Hall.

Kết luận trong một đoạn văn rất đơn giản. Cảm biến hiệu ứng Hall phát hiện từ trường của nam châm vĩnh cửu rôto và chuyển đổi trường đó thành tín hiệu điện kỹ thuật số. Ba cảm biến như vậy, được đặt cách nhau 120 độ điện xung quanh stato, tạo ra sáu tổ hợp đầu ra nhị phân mô tả duy nhất khu vực rôto trong mỗi chu kỳ điện. Bộ điều khiển động cơ giải mã sáu trạng thái này và chuyển các cuộn dây pha theo đúng trình tự. Khi các cảm biến Hall, hệ thống dây điện, mạch kéo lên và logic chuyển mạch của bộ điều khiển đều hoạt động cùng nhau, động cơ sẽ quay trơn tru từ trạng thái dừng đến tốc độ tối đa. Khi bất kỳ phần nào của chuỗi đó bị hỏng, các triệu chứng chính xác là tiếng ồn, quá dòng và rung động được mô tả trong tình huống mở đầu.

Hướng dẫn này giải thích từng bước về cách hoạt động của cảm biến hiệu ứng Hall trên động cơ BLDC. Chúng tôi đề cập đến hiệu ứng vật lý cơ bản, cách ba cảm biến tạo ra trình tự chuyển mạch sáu bước, đặc điểm IC Hall loại chốt, vị trí cảm biến, hệ thống dây điện, tính toàn vẹn tín hiệu, so sánh với điều khiển không cần cảm biến và tìm lỗi thực tế. Chúng tôi cũng xem xét lý do tại sao cấu trúc BLDC cảm biến Hall lại quan trọng đối với các ứng dụng quạt, bộ làm mát không khí bay hơi và động cơ EC.

Hiệu ứng Hall: điều gì thực sự xảy ra trong cảm biến

Cảm biến hiệu ứng Hall là một thiết bị bán dẫn tạo ra điện áp đầu ra tỷ lệ với mật độ từ thông đi qua nó. Cơ sở vật lý đằng sau nó bắt nguồn từ Edwin Hall vào năm 1879. Hall phát hiện ra rằng khi một dây dẫn mang dòng điện được đặt trong một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện, các hạt mang điện bị lực Lorentz làm lệch hướng. Các electron hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn di chuyển sang một phía của dây dẫn, do đó xuất hiện một điện áp ngang có thể đo được giữa hai cạnh bên. Điện áp này là điện áp Hall.

Điện áp Hall tỷ lệ thuận với tích của dòng điện và cường độ từ trường và tỷ lệ nghịch với độ dày của dây dẫn và mật độ hạt tải điện. Trong các dây dẫn thuần túy như đồng, mật độ sóng mang cao đến mức điện áp Hall rất nhỏ. Đây là lý do tại sao các cảm biến Hall thực tế được làm bằng vật liệu bán dẫn có mật độ sóng mang thấp hơn nhiều, được bố trí trong một tấm mỏng gọi là tấm Hall, được tích hợp với nguồn dòng phân cực, bộ khuếch đại vi sai, bộ so sánh và tầng đầu ra trong một gói IC duy nhất.

Để chuyển mạch động cơ BLDC, chúng ta không cần đo mật độ từ thông tuyệt đối với độ phân giải cao. Chúng ta chỉ cần câu trả lời nhị phân cho một câu hỏi: cực bắc hay cực nam của rôto hướng về phía cảm biến tại thời điểm này. Do đó, đầu ra của cảm biến Hall cấp chuyển mạch là kỹ thuật số. Bộ so sánh bên trong IC so sánh điện áp Hall được khuếch đại với ngưỡng tham chiếu. Khi cực bắc của rôto đưa mật độ từ thông lên trên điểm vận hành (BOP), đầu ra sẽ chuyển sang một trạng thái. Sau đó, khi cực nam đẩy mật độ từ thông xuống dưới điểm giải phóng (BRP), đầu ra sẽ chuyển trở lại. Sự khác biệt giữa BOP và BRP được gọi là hiện tượng trễ và nó đảm bảo quá trình chuyển đổi kỹ thuật số rõ ràng, không bị nhiễu khi từ trường đảo chiều.

Tại sao động cơ BLDC cần phản hồi vị trí rôto

Động cơ DC không chổi than là động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ. Stator của nó mang ba cuộn dây pha, thường được nối theo hình sao hoặc tam giác, và rôto của nó được gắn các nam châm vĩnh cửu bắc và nam xen kẽ. Không giống như động cơ DC có chổi than, trong đó cổ góp chuyển đổi dòng điện phần ứng một cách cơ học theo vị trí rôto, động cơ BLDC không có thiết bị chuyển mạch cơ học. Dòng điện pha phải được chuyển đổi bằng điện tử bằng bộ biến tần và thời điểm chuyển mạch phải khớp với vị trí góc của rôto. Để xử lý đầy đủ cấu trúc động cơ, bạn có thể tham khảo bài viết của chúng tôi về nguyên lý làm việc của động cơ DC không chổi than.

Trong bộ điều khiển BLDC ba pha tiêu chuẩn, tại một thời điểm chỉ có hai pha được dẫn điện. Giai đoạn thứ ba không hoạt động. Sáu công tắc nguồn biến tần tạo ra sáu trạng thái dẫn điện có thể, thiết lập trường quay stato. Mô-men xoắn được tạo ra do từ trường stato hút và đẩy rôto nam châm vĩnh cửu và cố gắng kéo từ trường rôto thẳng hàng. Mô men xoắn cực đại đạt được khi từ trường stato nghiêng một góc khoảng 90 độ điện so với từ trường rôto. Để duy trì mối quan hệ 90 độ đó khi rôto quay, bộ điều khiển phải chuyển từ trạng thái dẫn này sang trạng thái dẫn tiếp theo sau mỗi 60 độ điện. Nếu chuyển mạch sớm, mô-men xoắn giảm xuống; nếu đến muộn, mô-men xoắn giảm xuống; nếu chọn sai cặp, động cơ sẽ giảm tốc thay vì tăng tốc. Phần quan trọng là bộ điều khiển không thể biết nên chọn cặp nào trừ khi nó biết vị trí rôto. Do đó, phản hồi vị trí không phải là một sàng lọc tùy chọn. Đó là một yêu cầu chức năng.

Có một số cách để xác định vị trí rôto trong động cơ BLDC. Bộ mã hóa và bộ phân giải cho độ phân giải cao nhưng chúng đắt tiền và phức tạp về mặt cơ học. Các phương pháp không cảm biến lấy được vị trí từ EMF phía sau, nhưng chúng không hoạt động ở tốc độ dừng và tốc độ thấp. Đối với một động cơ quạt có giá thành hợp lý, chạy từ vài trăm đến vài nghìn vòng/phút, ba cảm biến hiệu ứng Hall là sự lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn ngành. Chúng rẻ, chắc chắn và cung cấp vị trí rôto tuyệt đối ngay cả khi trục không chuyển động.

Ba cảm biến Hall, sáu trạng thái, sáu bước chuyển mạch

Cảm biến Hall có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp nhiều cảm biến. Trong động cơ BLDC ba pha, cấu hình tiêu chuẩn là ba cảm biến đặt cách nhau 120 độ điện xung quanh stato. Các cảm biến được cố định và nam châm rôto đi qua chúng khi rôto quay. Khi mỗi cảm biến tiếp xúc với cực bắc, đầu ra kỹ thuật số của nó sẽ ở mức logic cao; khi cực nam đi qua, đầu ra sẽ ở mức logic thấp. Vì ba cảm biến cách nhau về mặt vật lý 120 độ điện nên đầu ra của chúng không bao giờ thay đổi cùng lúc. Tại bất kỳ thời điểm nào, sự kết hợp của ba đầu ra là một trong sáu trạng thái hợp lệ. Mỗi trạng thái tương ứng với một khu vực rôto trải dài 60 độ điện.

Bộ điều khiển chứa một bảng chân lý ánh xạ từng trạng thái trong số sáu trạng thái thành cặp pha phải được cấp năng lượng trong khu vực đó. Một bản đồ đại diện được hiển thị dưới đây.

Đọc qua bảng, chuỗi các trạng thái cho một chu kỳ điện hoàn chỉnh là 101, 100, 110, 010, 011, 001. Thứ tự chính xác có thể bị đảo ngược nếu động cơ quay theo hướng khác và việc gán trạng thái cho các khu vực thay đổi nếu dây pha bị hoán đổi; nguyên tắc vẫn giống hệt nhau.

Có hai điểm đáng được nhấn mạnh vì chúng giải thích một số quyết định thiết kế trong thế giới thực. Đầu tiên, bất cứ khi nào tổ hợp Hall thay đổi, bộ điều khiển có thể ngay lập tức chuyển sang trạng thái dẫn tiếp theo. Bản thân quá trình chuyển đổi Hall có thể được sử dụng làm sự kiện chuyển mạch. Đó là lý do tại sao giao hoán thường được mô tả là đồng bộ Hall. Thứ hai, vì tín hiệu Hall chỉ cập nhật một lần trên 60 độ điện nên độ phân giải rất thấp so với bộ mã hóa. Đối với động cơ có nhiều cặp cực, khoảng cách vật lý giữa các cảm biến sẽ nhỏ hơn tương ứng; chúng ta sẽ quay lại ràng buộc cơ học đó trong phần dành riêng sau.

Trong mỗi khu vực 60 độ, dòng điện trong cuộn dây dẫn thường được điều chỉnh bằng điều chế độ rộng xung (PWM) của điện áp bus DC. Cảm biến Hall không điều chỉnh dòng điện; họ chỉ quyết định cặp pha nào nhận được xung điện xung. Tốc độ được điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ củaPWM, trong khi bước chuyển mạch vẫn bị khóa ở trạng thái Hall. Sự kết hợp giữa chuyển mạch sáu bước cộng vớiPWM này là nền tảng của hầu như tất cả các bộ truyền động quạt và bộ làm mát không khí BLDC có cảm biến.

IC Hall loại chốt: thành phần quan trọng

Trong ứng dụng chuyển mạch BLDC, cảm biến Hall hoạt động ở chế độ chốt; nó thường được gọi là chốt lưỡng cực chứ không phải là công tắc đơn cực. Công tắc đơn cực bật khi trường có một cực vượt quá ngưỡng và tắt khi trường giảm xuống dưới ngưỡng đó. Hành vi đó phù hợp để phát hiện sự hiện diện của nam châm, nhưng không phù hợp để chuyển mạch. Một cảm biến chuyển mạch phải ghi nhớ trạng thái của nó và giữ nó cho đến khi cực đối diện đến. IC Hall loại chốt thực hiện chính xác điều này: nó chốt logic ở mức cao khi nhìn thấy cực bắc phía trên BOP và không nhả ra cho đến khi nhìn thấy cực nam bên dưới BRP. Sau đó, đầu ra duy trì ở mức cao trong khoảng 180 độ điện và ở mức thấp trong khoảng 180 độ điện, tạo ra sóng vuông cân bằng đồng đều mà logic chuyển mạch mong đợi.

Các thông số chính của biểu dữ liệu không khó diễn giải. Điện áp cung cấp của IC Hall chuyển mạch thông thường là 3,3 đến 24 V DC, với đầu ra dạng mở hoặc kéo đẩy. Đầu ra thoát nước mở yêu cầu điện trở kéo lên bên ngoài; đầu ra kéo đẩy thì không. Ngưỡng chuyển mạch BOP và BRP được chỉ định bằng Gauss hoặc millitesla và độ trễ là sự khác biệt giữa chúng. Một chốt thông thường có thể có điểm hoạt động khoảng vài chục Gauss và điểm nhả ở cực ngược lại khoảng vài chục Gauss; các con số thực tế phải khớp với mật độ từ thông có sẵn tại vị trí cảm biến. Tần số chuyển mạch phải cao hơn tần số điện tối đa của động cơ; điều này hiếm khi xảy ra đối với động cơ quạt nhưng cần được kiểm tra đối với các thiết kế có tốc độ cao hoặc số cực cao. Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh phải bao gồm vị trí trong trường hợp xấu nhất của cảm biến bên trong động cơ, bao gồm cả nhiệt độ ngấm từ cuộn dây. Đối với các thiết bị ngoài trời như máy làm mát không khí bay hơi, khả năng chống ẩm của cụm cảm biến cũng rất quan trọng.

Một vấn đề thiết kế khó phát hiện nhưng thường xuyên xảy ra là mối quan hệ giữa vị trí đặt cảm biến Hall và từ thông nam châm trong stato có rãnh. Cảm biến không chỉ nhìn thấy nam châm rôto; nó cũng nhìn thấy dòng rò từ cuộn dây stato đang được cấp điện. Nếu trường rò rỉ đủ mạnh, nó có thể vượt quá ngưỡng BOP và BRP hoặc làm thay đổi thời gian chuyển mạch. Các biện pháp khắc phục tiêu chuẩn là che hoặc đặt cảm biến, đặt nó ngoài ngăn xếp stato hoặc tạm thời làm trống tín hiệu Hall trong quá trình chuyển đổi biến tần bằng cách sử dụng bộ gỡ lỗi hoặc bộ lọc ngắn trong bộ điều khiển. Đây là chi tiết điển hình giúp phân biệt một thiết kế động cơ bền bỉ với một thiết kế có lỗi chuyển mạch không liên tục.

Gắn kết, căn chỉnh và ràng buộc cặp cực

Việc lắp cơ khí của cảm biến Hall cũng quan trọng như thiết kế điện. Trong hầu hết các động cơ BLDC vừa và nhỏ dành cho quạt, bộ làm mát không khí và bộ làm mát bay hơi, ba IC Hall được hàn vào một bảng mạch in nhỏ gắn trên tấm chắn đầu không dẫn động của động cơ. Rôto mang các nam châm bổ sung đi qua bảng cảm biến hoặc bảng cảm biến được đặt sao cho nam châm rôto chính quét qua nó, tùy thuộc vào cấu trúc. PCB cảm biến được kết nối điện với bảng điều khiển bằng một đầu nối, tạo thành giao diện năm dây thông thường: VCC, GND và ba đầu ra cảm biến.

Khoảng cách điện 120 độ chuyển thành một góc cơ học phụ thuộc vào số lượng cặp cực từ. Một chu kỳ điện tương ứng với một cặp cực, do đó góc cơ học giữa các cảm biến liền kề là 120 độ điện chia cho số cặp cực. Đối với động cơ hai cực, ba cảm biến được đặt cách nhau 120 độ cơ học. Đối với động cơ bốn cực, chúng được đặt cách nhau 60 độ cơ học. Đối với động cơ tám cực có bốn cặp cực, khoảng cách là 30 độ cơ học. Hậu quả là khi số cực tăng lên, không gian dành cho các gói cảm biến sẽ bị thu hẹp lại và dung sai căn chỉnh trở nên chặt chẽ hơn. Đây là một lý do tại sao nhiều động cơ quạt lớn hơn có số cực vừa phải và tại sao động cơ có số cực cao thường được thiết kế không có cảm biến hoặc có cảm biến được gắn trực tiếp trên PCB chính thay vì trên một bảng riêng biệt.

Căn chỉnh là hạn chế thứ hai. Bảng cảm biến được định vị trong quá trình lắp ráp sao cho cạnh chuyển mạch của mỗi đầu ra Hall xảy ra ở góc rôto chính xác so với cuộn dây stato của pha tương ứng. Nếu các cảm biến bị lệch một số độ điện theo một trong hai hướng, thì sự chuyển mạch sẽ đến quá sớm hoặc quá muộn, gây ra hiện tượng dòng điện tăng đột biến, gợn sóng mô-men xoắn, độ rung và giảm hiệu suất. Nếu các cảm biến bị lệch hoàn toàn, động cơ có thể không khởi động được. Một số thiết kế cố tình đưa ra một góc cố định giữa cảm biến và trục cuộn dây để tạo ra độ lệch pha cho hoạt động tốc độ cao, nhưng độ lệch khi đó là nhất quán và được ghi lại chứ không phải ngẫu nhiên.

Cấu trúc rôto bên ngoài được sử dụng trong một số động cơ quạt làm mát không khí đặt stato ở bên trong và cốc rôto ở bên ngoài. Ưu điểm dễ thấy của hệ thống cảm biến là bảng Hall được gắn ở phía stato cố định và vòng nam châm nằm ở mặt trong của cốc quay; khe hở không khí có thể dự đoán được và cảm biến được bảo vệ khỏi luồng khí bên ngoài. Để lấy ví dụ về kiến ​​trúc này ở kích thước phải đối mặt với nhiệm vụ luồng không khí thực tế, động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC149-220V-600W là một trường hợp đại diện.

Động cơ làm mát không khí BLDC cánh quạt ngoài DC149 220V 600W Động cơ cánh quạt ngoài 600W này là ví dụ điển hình của cảm biến Hall gắn trên stato, cung cấp khe hở không khí có thể dự đoán được và vị trí cảm biến được bảo vệ để chuyển mạch đáng tin cậy khi làm nhiệm vụ luồng khí thực. Xem sản phẩm →

Tính toàn vẹn của hệ thống dây điện và tín hiệu: đưa các xung đến bộ điều khiển

Đầu ra Hall là sóng vuông, nhưng chúng truyền qua một dây cáp chạy dọc theo các dây pha mang dòng điện chuyển mạch nhanh chóng. Nếu không cẩn thận, tín hiệu có thể bị hỏng. Những điểm thực tế quan trọng nhất là:

• Sử dụng điện trở kéo lên từ 1k đến 10k ohm cho đầu ra Hall thoát nước mở. Giá trị này kiểm soát cả thời gian tăng tín hiệu và khả năng miễn nhiễm. Điện trở quá thấp sẽ rút ra dòng điện không cần thiết; điện trở quá cao làm cho cạnh chậm và nhạy cảm với điện dung.
• Đặt một tụ điện nhỏ gần đầu vào bộ điều khiển, thường là 1nF đến 100nF, để loại bỏ nhiễu tần số cao trong khi vẫn duy trì thời gian chuyển mạch.
• Giữ dây tín hiệu Hall được xoắn hoặc bọc kín và tách chúng khỏi dây dẫn pha ở bất kỳ nơi nào mà việc định tuyến cho phép.
• Kết nối mặt đất cảm biến và mặt đất bộ điều khiển tại một điểm chung duy nhất để tránh lệch mặt đất. Nếu cảm biến được cung cấp bởi bộ điều chỉnh điện áp riêng biệt, hãy đảm bảo đầu ra của bộ điều chỉnh ổn định trong quá trình chuyển tiếp xung quanh chế độ chuyển đổi tín hiệu xung điện.
• Đối với các đường cáp dài, có thể lắp các bộ điều khiển đường truyền vi sai hoặc bộ đệm bóng bán dẫn, nhưng đối với các động cơ có dây cáp lên đến vài mét, tín hiệu xả hở được lọc thường là đủ.

Logic chuyển mạch trong bộ điều khiển thường kích hoạt ở cạnh chuyển tiếp chứ không phải ở mức. Bất kỳ tiếng ồn nào tạo ra sự chuyển đổi bổ sung trên đường Hall sẽ gây ra sự chuyển mạch sớm, đó là lý do tại sao việc gỡ lỗi và phát hiện cạnh là một phần của phần sụn trên bộ điều khiển sản xuất. Một số bộ biến tần làm trống đầu vào Hall trong vài micro giây trong quá trình chuyển pha, do sự thay đổi điện áp nhanh chóng của nút chuyển mạch sẽ kết hợp điện dung vào dây cảm biến.

Một biện pháp bảo vệ bổ sung bên trong động cơ là nối tiếp điện trở ở mỗi đường Hall gần đầu nối; kết hợp với tụ điện phía bộ điều khiển, điều này tạo thành bộ lọc thông thấp. Nếu bạn chỉ tìm nguồn cung ứng cho động cơ, hãy đảm bảo rằng các chân đầu nối động cơ có nhãn VCC, GND, H1, H2 và H3; sơ đồ chân không chính xác là lỗi nối dây trường phổ biến nhất và có thể nhanh chóng làm hỏng IC Hall nếu cực nguồn bị đảo ngược.

Cảm biến Hall và điều khiển không cảm biến: so sánh thực tế

Một câu hỏi kỹ thuật thường xuyên được đặt ra là liệu điều khiển EMF ngược không cảm biến có thể thay thế cảm biến Hall hay không. Trong các ứng dụng có khối lượng lớn, câu trả lời đôi khi là có, nhưng không phải không có sự thỏa hiệp. Điều khiển bằng cảm biến bằng cảm biến Hall có một ưu điểm quyết định: nó hoạt động ở tốc độ bằng không. Ngược lại, bộ truyền động không cảm biến sẽ ước tính vị trí rôto từ EMF phía sau của pha mở và EMF phía sau tỷ lệ thuận với tốc độ. Ở trạng thái dừng và ở vòng tua máy rất thấp, EMF phía sau quá nhỏ để có thể đo được, do đó bộ điều khiển phải áp dụng các xung căn chỉnh và tăng tốc vòng hở chỉ để động cơ chuyển động. Nếu mômen tải cao hoặc thay đổi trong quá trình khởi động, đoạn đường nối vòng hở có thể bị hỏng, động cơ bị chết máy hoặc tạo ra chuyển động quay ngược tạm thời.

Đối với bộ làm mát không khí, quạt ống dẫn và các tải cánh quạt khác, bản thân quạt sẽ tạo ra mô-men xoắn rất thấp khi đứng yên, nhưng tải khí động học tăng theo bình phương tốc độ. Động cơ được cảm biến khởi động với mô-men xoắn tối đa từ quá trình chuyển đổi Hall đầu tiên, giúp đơn giản hóa bộ điều khiển và đảm bảo hướng đã biết. Một động cơ không có cảm biến có thể được khởi động nếu phần sụn được điều chỉnh tốt, nhưng nỗ lực sau đó sẽ chuyển sang phần mềm thay vì phần cứng.

Chi phí và độ tin cậy thường là lý do chính để xem xét loại bỏ cảm biến. Cảm biến Hall thêm hai hoặc ba dây dẫn vào cáp động cơ, đầu nối, PCB cảm biến và thời gian lắp ráp. Về mặt độ tin cậy, cảm biến hoặc mối hàn có thể bị hỏng, trong khi cảm biến EMF phía sau không có bộ phận chuyển động hoặc từ tính bổ sung. Tuy nhiên, IC Hall hiện đại không tốn kém và rất chắc chắn khi được lắp và bảo vệ chính xác. Đối với động cơ quạt chạy liên tục nhiều tháng, tỷ lệ hỏng cảm biến thấp; lỗi phổ biến hơn là hư hỏng cơ học đối với cáp hoặc đầu nối cảm biến trong quá trình lắp đặt.

Cuối cùng, sự lựa chọn phụ thuộc vào phạm vi hoạt động. Động cơ phải tạo ra mô-men xoắn ở trạng thái dừng, giữ quạt ở tốc độ thấp hoặc lùi một cách đáng tin cậy sẽ được hưởng lợi từ cảm biến Hall. Một chiếc quạt có tốc độ cố định quay từ trạng thái nghỉ không tải có thể không có cảm biến nếu quy trình khởi động được điều chỉnh cẩn thận. Hầu hết các động cơ làm mát không khí thương mại, động cơ quạt EC và động cơ quạt BLDC có độ ồn thấp đều giữ cảm biến Hall để đảm bảo vận hành trơn tru, im lặng, tốc độ chậm và khởi động có thể dự đoán được.

Những điều cần xác minh khi chọn động cơ BLDC có cảm biến Hall

Nếu bạn mua một động cơ hoàn chỉnh, bạn thường không tự mình chọn mẫu cảm biến Hall; nhà sản xuất động cơ thực hiện. Nhưng bạn nên biết những gì cần xác minh, vì chất lượng cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy khởi động và tuổi thọ sử dụng của thiết bị.

Trước tiên, hãy kiểm tra dải điện áp cung cấp cảm biến với bộ điều khiển của bạn. Động cơ có cảm biến Hall được cấp nguồn ở mức 5V không thể chạy bằng nguồn 3,3V trừ khi cảm biến chấp nhận hoạt động 3,3V và các bộ kéo lên được kết nối với đường ray 3,3V. Nhiều IC Hall hiện đại có điện áp từ 3,3 đến 24V. Thứ hai, xác nhận logic đầu ra: đầu ra thoát nước hở cần có điện trở kéo lên và bộ kéo lên phải nằm trên bảng điều khiển của bạn. Thứ ba, xác minh số lượng cặp cực và khoảng cách cảm biến; người dùng không thể cấu hình điều này. Thứ tư, xem xét đánh giá môi trường. Nếu động cơ được lắp trong luồng không khí ẩm của bộ làm mát bay hơi hoặc tiếp xúc với hơi nước ngưng tụ thì PCB cảm biến và đầu nối phải được bảo vệ.

Thứ năm, kiểm tra hành vi khởi động với tải thực tế của bạn. Cánh quạt đôi khi có độ lệch nghỉ nhẹ; nếu bảng Hall bị lệch, động cơ đôi khi có thể khởi động ngược hoặc rung ở tốc độ thấp. Việc kiểm tra trung thực là trên lắp ráp thực sự. Thứ sáu, hỏi xem động cơ hoạt động như thế nào nếu mất tín hiệu Hall. Một chương trình cơ sở của bộ điều khiển tốt sẽ phát hiện cạnh Hall bị thiếu, ngừng tạo ra xung điện xung và gắn cờ lỗi thay vì tiếp tục với kiểu giao hoán sai.

Cuối cùng, nếu bạn đang định cỡ động cơ cho bộ làm mát lớn hơn, hãy so sánh cấu hình trục và giá đỡ cơ khí. Động cơ cánh quạt ngoài công suất cao dành cho máy làm mát không khí lớn là một gói vật lý khác với động cơ quạt EC nhỏ gọn. Ở cấp công suất cao hơn, động cơ làm mát không khí BLDC bên ngoài DC198-220V-1500W đại diện cho cấp 1500W với cùng kiến ​​trúc cảm biến được mở rộng.

Động cơ làm mát không khí BLDC cánh quạt ngoài DC198 220V 1500W Được nâng cấp lên mức 1500W, động cơ cánh quạt ngoài công suất cao này có cùng kiến trúc cảm biến, khiến nó trở thành điểm so sánh phù hợp khi định cỡ các bộ làm mát lớn hơn với yêu cầu lắp đặt cơ học nặng hơn. Xem sản phẩm →

Lỗi cảm biến Common Hall và cách chẩn đoán

Hum, quá dòng, không khởi động và khởi động ngược xuất hiện liên tục trên hiện trường. Danh sách sau đây bao gồm các chế độ lỗi cổ điển và nơi cần xem xét đầu tiên.

1. Động cơ không khởi động và tiêu thụ dòng điện cao: thông thường bộ điều khiển không bao giờ nhìn thấy trạng thái Hall hợp lệ, do đó nó không thể bắt đầu chuyển mạch. Các nguyên nhân bao gồm cảm biến bị ngắt kết nối, cầu hàn hoặc đầu ra bị kẹt.
2. Động cơ khởi động, chạy rồi dừng khi có tải: một đầu ra Hall thỉnh thoảng bị mất, do đó cặp giao hoán trở nên sai. Các nguyên nhân bao gồm kết nối kém, mối hàn bị nứt hoặc tiếp điểm kéo lên không liên tục.
3. Động cơ chạy gần như theo một hướng với độ rung quá mức: thời gian chuyển mạch sớm hoặc trễ do một cảm biến bị lệch hoặc ngưỡng của nó quá cao để chuyển đổi chính xác ở góc mong muốn.
4. Động cơ quay ngược không liên tục: thứ tự trạng thái hoặc logic khởi động bị đảo ngược bằng cách hoán đổi dây của hai đường Hall. Trên một số bộ điều khiển, lỗi này có thể được sửa trong phần sụn; nếu không, các cảm biến sẽ ở sai thứ tự vật lý.
5. Động cơ chạy ở tốc độ thấp hơn tốc độ yêu cầu kèm theo tiếng tích tắc: thiếu một đầu ra Hall hoặc luôn ở mức cao, do đó bộ điều khiển chỉ thực hiện chuỗi bốn trạng thái và không thể tạo ra mô-men xoắn đầy đủ sáu bước. Đây là một bài kiểm tra dễ dàng: đọc ba kết quả đầu ra trong khi quay rôto bằng tay; tất cả chúng phải chuyển đổi chính xác một lần cho mỗi cặp cực.

Một thủ tục kiểm tra hữu ích như sau. Ngắt kết nối động cơ khỏi biến tần, cấp nguồn cho bo mạch Hall bằng nguồn điện dự phòng ở mức VCC định mức, kết nối ba đầu ra thông qua pull-up với nguồn cung cấp logic và quay rôto chậm bằng tay. Trên máy hiện sóng, bạn sẽ thấy sáu sự kết hợp riêng biệt xung quanh chu trình điện, với các cạnh rõ ràng và không có sự chuyển tiếp kép. Trên đồng hồ vạn năng, bạn có thể xác nhận rằng mỗi đầu ra chuyển đổi riêng lẻ, nhưng máy hiện sóng cho thấy mối quan hệ thời gian giữa ba kênh, đây là phần quan trọng nhất đối với chuyển mạch.

Đồng thời so sánh khoảng cách cảm biến đo được theo độ cơ học với giá trị mong đợi của số cực: đối với thiết kế bốn cực, ba cảm biến cách nhau 60 độ cơ học, v.v. Nếu một cảm biến báo logic cao liên tục ngay cả khi cực nam châm đối diện ở ngay phía trước nó, hãy thay IC cảm biến đó. Nếu đầu ra tuân theo từ trường nhưng ngưỡng từ ở mức cận biên thì một nam châm có từ thông dư mạnh hơn là cách khắc phục thông thường.

Tại sao cảm biến Hall lại quan trọng trong các ứng dụng làm mát không khí, quạt và động cơ EC

Các ứng dụng trong dòng sản phẩm của công ty minh họa cho sự phù hợp thực tế. Máy làm mát không khí bay hơi là những cỗ máy đơn giản nhưng chúng đại diện cho một nhiệm vụ đòi hỏi khắt khe của động cơ: tải cánh quạt với tốc độ chậm vào ban đêm, luồng không khí cao vào buổi chiều, biến đổi điện áp nguồn và luồng không khí ẩm. Động cơ BLDC rôto bên ngoài có cảm biến cung cấp mô-men xoắn tốc độ thấp và hướng khởi động được đảm bảo mà ứng dụng cần. Cấu trúc rôto bên ngoài giữ cho stato và bo mạch Hall được bảo vệ bên trong, nơi hơi nước ngưng tụ và chất bẩn không thể chạm tới các thiết bị điện tử. Với bộ điều khiểnPWM được đồng bộ hóa với trạng thái Hall, động cơ có thể quay bánh công tác ở một phần tốc độ danh định mà không bị quá nhiệt và có thể tăng tốc nhanh chóng đến luồng không khí tối đa khi tín hiệu điều khiển yêu cầu.

Động cơ quạt EC là cùng loại máy; thuật ngữ EC đề cập đến chuyển mạch điện tử thay thế cho việc chải cơ học, đó chính xác là những gì bộ truyền động BLDC cảm biến Hall thực hiện. Trong động cơ quạt EC, cảm biến Hall xác định khu vực rô-to, bộ điều khiển áp dụng tín hiệu xung điện (PWM) và bộ phận tích hợp điều chỉnh tốc độ và luồng khí theo điểm đặt. Ưu điểm của quạt EC so với quạt cảm ứng là hiệu quả khi tải một phần. Bằng cách điều chỉnh chu kỳ hoạt động của CPU và duy trì chuyển mạch qua các trạng thái Hall, động cơ quạt EC nhỏ gọn có thể mang lại hiệu suất được cải thiện trong phạm vi hoạt động rộng. Đối với ứng dụng loại 350W trên nguồn điện 220V, động cơ quạt ECF35010 EC là ví dụ tiêu biểu cho kiến ​​trúc này.

Động cơ quạt ECF-350-10 220V 350W EC Động cơ quạt EC 350W này minh họa cho sự chuyển mạch BLDC cảm biến Hall nhỏ gọn, mang lại hiệu suất tải một phần được cải thiện và hoạt động yên tĩnh cho hệ thống thông gió trong môi trường nhạy cảm với tiếng ồn. Xem sản phẩm →

Hoạt động yên tĩnh ở tốc độ thấp là một lý do khác khiến thiết kế cảm biến được ưa chuộng trong thiết bị thông gió. Ổ đĩa BLDC không cảm biến thường phải cấp điện cho các cặp pha trong thời gian dài hơn ở giai đoạn khởi động một bước trước khi có thể đọc được EMF phía sau và điều này tạo ra tiếng cắt mạnh và tiếng lách cách. Động cơ được cảm biến chuyển động ở góc mô-men xoắn chính xác ngay từ lần chuyển đổi đầu tiên, do đó lực stato không đổi và yên tĩnh. Đây là lý do tại sao các thiết kế động cơ BLDC có độ ồn thấp dành cho nhà kính, chuồng gia cầm và máy làm mát dân dụng lại dựa vào cảm biến Hall thay vì bộ ước tính EMF thuần túy.

Từ quan điểm của một nhà chế tạo thiết bị, bài học rút ra là thực tế: động cơ BLDC có cảm biến Hall giúp đơn giản hóa việc phát triển bộ điều khiển, cải thiện độ tin cậy khi khởi động và giữ mô-men xoắn ổn định ở tốc độ thấp với chi phí phải mua thêm một vài dây. Đối với ngành công nghiệp quạt và làm mát không khí, đây hầu như luôn là một giao dịch có thể chấp nhận được.

Kết luận

Cảm biến hiệu ứng Hall không phải là một phụ kiện bí ẩn; nó là một công tắc từ chốt nhỏ cho bộ điều khiển biết khu vực nào của chu trình điện động cơ BLDC đang hoạt động. Ba cảm biến ở khoảng cách 120 độ điện tạo ra sáu mã nhị phân; bộ điều khiển ánh xạ từng mã tới một trong sáu bước dẫn truyền; và động cơ tiến từ khu vực này sang khu vực khác với mô-men xoắn chính xác. Hiệu ứng vật lý rất đơn giản và kỹ thuật thực tế nằm ở việc căn chỉnh, nối dây, ngưỡng và lọc.

Khi bạn chọn động cơ cho quạt, bộ làm mát bay hơi hoặc quạt EC, đừng coi cảm biến Hall là một chi tiết khó hiểu. Chất lượng và sự sắp xếp của chúng quyết định xem động cơ có khởi động mọi lúc hay không, liệu nó có chạy êm ở tốc độ thấp hay không và bộ điều khiển có thể chuyển đổi đáng tin cậy đến mức nào. Xác nhận điện áp, loại công suất, giao diện cảm biến và bảo vệ môi trường, đồng thời kiểm tra quá trình khởi động dưới tải cánh quạt thực tế của bạn trước khi thực hiện thiết kế.