Uso de los sensores Hall BLDC como codificadores de posición, parte 1

La siguiente información tiene por objeto ayudar a interpretar la salida lógica del sensor Hall con el fin de determinar la posición, la dirección y la velocidad. Aunque la salida se puede utilizar para la conmutación del motor, ese aspecto del funcionamiento del motor BLDC no se explica aquí.

Descripción general

Algunos motores BLDC (CC sin escobillas) están equipados con tres sensores internos de efecto Hall que proporcionan retroalimentación a circuitos externos que facilitan el control preciso de las bobinas magnéticas en el estátor. Algunos tipos de controladores BLDC utilizan la EMF (fuerza electromotriz) posterior del motor y dejan los sensores de efecto Hall sin usar. En ambos casos, los sensores Hall también se pueden utilizar para la detección precisa de las posiciones.

Un motor BLDC popular es el tipo utilizado en el transporte personal, como patinetas motorizadas, hoverboards (tablas flotantes), monopatines y bicicletas compactas. Para este ejemplo, se utiliza un motor acoplado al cubo de 10 pulgadas de diámetro, de un solo eje, que se encuentra comúnmente en las tablas flotantes autoequilibradas (Figura 1). Este tipo de motor es un motor BLDC de servicio pesado, lo que significa que el estátor montado en el eje está parado mientras el receptáculo del motor gira.

Figura 1

Anatomía de un BLDC

El motor acoplado al cubo BLDC utilizado en este experimento utiliza 27 bobinas electromagnéticas de estátor y 30 electroimanes permanentes (también conocidos como pares de 15 polos) (Figura 2). Muchos diagramas muestran los sensores de efecto Hall etiquetados como U, V y W equidistantes (120 grados) alrededor de las bobinas del estátor. Los sensores se encuentran equidistantes entre sí, pero la mayoría se encuentra en un lado del estátor (Figura 3).

Figura 2

Figura 3

Nota: las etiquetas del sensor (U, V, W) se asignan en base al código de color del cableado interno. Para este experimento, el etiquetado del sensor es arbitrario.

La magia de 3 en los BLDC

Como se ve en la Figura 3, los sensores Hall se centran en las caras de las bobinas. El intervalo de centro a centro entre dos sensores cualesquiera es de tres bobinas, lo que resulta en 40 grados de separación.

2 bobinas completas + 2 medias bobinas = 3 intervalos de bobina

360 grados/27 bobinas * 3 intervalos de bobina = 40 grados

Esta configuración produce los mismos valores de salida que si los sensores estuvieran físicamente separados 120 grados. Un tercio de los electroimanes pasará por cada uno de los sensores, lo que resulta en 10 pulsos de cada sensor. Juntos, los sensores producirán 30 pulsos por cada 120 grados o 90 pulsos en una revolución completa.

9/27 (bobinas) = 10/30 (electroimanes) = 120/360 (grados) = 30/90 (pulsos) = 1/3 (de una rotación). Impecable.

Figura 4

Nota: Los pulsos son una transición de salida de alta a baja o viceversa. Aunque en conjunto los sensores producen 90 pulsos por revolución, un total de 15 pulsos altos y 15 pulsos bajos (15 pares de polos) por sensor resulta en 6 combinaciones binarias únicas (90 pulsos/15 pares = 6). Vea la Figura 4 para obtener aclaraciones.

Los valores del sensor se determinan inmediatamente después de cualquier transición de alto a bajo o de bajo a alto. En un ciclo de sensor, cada sensor tiene una transición alta y una transición baja, lo que resulta en seis transiciones totales y seis combinaciones binarias. Debido a la desviación creada por tener 27 bobinas espaciadas a través de 30 electroimanes, las salidas de los sensores nunca son todas altas (111) o todas bajas (000) al mismo tiempo.

Resumen

No importa qué onda cuadrada de salida de un solo sensor se examine después de una transición, uno de los sensores restantes va detrás mientras el otro va adelante (uno es alto y el otro es bajo). Por esta razón, no importa la disposición de las salidas de los sensores que se utilicen para la lectura de los valores. El único cálculo producido es el sentido de giro.

La ilustración animada (Figura 5) muestra la salida del sensor en cada transición y la relación entre los diez electroimanes permanentes y las tres bobinas con sensor. Las bobinas intermedias sin sensor se omiten para mayor claridad visual.

Figura 5

Recursos adicionales:

Uso de los sensores Hall BLDC como codificadores de posición

Parte 2: uso de un analizador Digilent Analog Discovery 2 para visualizar la salida del sensor BLDC Hall

Parte 3: uso de un microcontrolador Teensy 3.5 para calcular la posición, la dirección y la distancia