Använda BLDC-hallgivare som positionsankodare – del 1

Följande information är avsedd att hjälpa till att tolka logiska utsignaler från hall-sensorer för att kunna avgöra position, riktning och hastighet. Även om utsignalerna kan användas för motorkommutation förklaras inte den aspekten av BLDC-motordrift här.

Översikt

Vissa BLDC-motorer (borstlösa likströmsmotorer) är utrustade med tre interna hall-effektsensorer som ger återkoppling till externa kretsar som underlättar precis kontroll av magnetspolarna i statorn. Vissa typer av BLDC-styrenheter använder motorns inneboende motelektromotoriska kraft och använder inte hall-effektsensorerna. I båda fallen kan hall-sensorerna även användas för exakt positionsavkänning.

En populär BLDC-motor är typen som används i persontransportmedel som motoriserade skateboards, hoverboards, scootrar och kompakta cyklar. I det här exemplet används en navmotor med enkel axel med 10 tums diameter som normalt finns i självbalanserande hoverboards (figur 1). Den här typen av motor är en kraftfull utvändig BLDC vilket innebär att den axelmonterade statorn är stillastående medan motorhuset roterar.

Figur 1

BLDC-anatomi

BLDC-navmotorn som används i det här experimentet använder 27 elektromagnetiska statorspolar och 30 permanentmagneter (kallas även 15 polpar) (figur 2). Många scheman visar hall-effektsensorerna märkta U, V och W med lika stort avstånd (120 grader) runt statorspolarna. Sensorerna sitter på samma avstånd från varandra, men de flesta sitter på en sida av statorn (figur 3).

Figur 2

Figur 3

Obs! Sensoretiketterna (U, V, W) tilldelas baserat på interna ledarfärgkodning. I det här experimentet är sensormärkningen godtycklig.

Alla goda ting är 3 i BLDC:er

Som figur 3 visar centreras hall-sensorerna i spolytorna. Avståndet mellan centrum till centrum mellan två sensorer är tre spolvarv, vilket ger 40 graders separation.

2 fulla spolvarv + 2 halva spolvarv = 3 spolvarvs avstånd

360 grader / 27 spolvarv * 3 spolvarvs avstånd = 40 grader

Den här konfigurationen ger upphov till samma utgångsvärden som om sensorerna fysiskt var 120 grader isär. En tredjedel av magneterna passerar förbi var och en av sensorerna ger 10 pulser från varje sensor. Tillsammans levererar sensorerna 30 pulser per 120 grader eller 90 pulser på ett helt varv.

9/27 (spolvarv) = 10/30 (magneter) = 120/360 (grader) = 30/90 (pulser) = 1/3 (av ett varv). Elegant!

Figur 4

Obs! Pulser är en övergång hos utsignalen från hög till låg eller omvänt. Trots att sensorerna tillsammans levererar 90 pulser per var resulterar totalt 15 höga och 15 låga pulser (15 polpar) per sensor i 6 unika binära kombinationer (90 pulser / 15 par = 6). Se figur 4 för en närmare beskrivning.

Sensorvärdena avgörs omedelbart efter en övergång från hög till låg eller låg till hög. Under en sensorcykel har varje sensor en hög övergång och en låg övergång vilket resulterar i totalt sex övergångar och sex binära kombinationer. På grund av förskjutningen som skaps genom att ha 27 spolar fördelade på 30 magneter är sensorutsignalerna aldrig alla höga (111) eller alla låga (000) på samma gång.

Sammanfattning

Oavsett vilken enskild sensors utgående fyrkantsvåg som undersöks efter en övergång kommer en av de återstående sensorerna att släpa efter medan den andra leder (en är hög medan den andra är låg). Av den här anledningen spelar det ingen roll vilken anordning av sensorutgångar som du använder när du läser av värden. Den enda resulterande beräkningen är rotationsriktningen.

Den animerade illustrationen (figur 5) visar sensoruteffekten vid varje övergång och relationen mellan de tio permanentmagneterna och de tre sensorspolarna. Mellanspolar utan sensorer har utelämnats av synlighetsskäl.

Figur 5

Ytterligare resurser:

Använda BLDC-hallgivare som positionsankodare

Del 2 – Använda en Digilent Analog Discovery 2-analyserare för att visualisera BLDC hall-sensorutsignalen

Del 3 – Använda en Teensy 3.5 mikrokontroller för att beräkna position, riktning och avstånd