Sensor Hall BLDC: como funciona, tipos e guia de solução de problemas

O que é um sensor Hall em um motor BLDC

Retire a tampa da maioria dos motores DC sem escovas e você encontrará três pequenos componentes agrupados perto dos enrolamentos, cada um pouco maior que um grão de arroz. Esses são os sensores Hall, e sem eles – ou um substituto como o sensor back-EMF – o motor não tem como saber para que lado empurrar.

Um sensor Hall detecta campos magnéticos usando o efeito Hall: quando um campo magnético passa perpendicularmente a um elemento condutor de corrente, ele empurra os portadores de carga para um lado, produzindo uma tensão mensurável. Em um motor BLDC, três desses sensores ficam no estator próximo à extremidade não acionadora, posicionados de forma que os ímãs permanentes do rotor passem por eles conforme o eixo gira. Cada sensor muda para alto ou baixo dependendo se um pólo norte ou sul está próximo, e a combinação dos três sinais informa ao controlador exatamente onde o rotor está localizado a qualquer momento - mesmo quando o motor não está em movimento.

Como os sensores Hall impulsionam a comutação

Um motor BLDC trifásico precisa que a corrente do enrolamento seja trocada na sequência correta para manter o rotor girando – um processo chamado comutação. Os sensores Hall tornam isso possível, fornecendo ao controlador uma leitura direta da posição do rotor, em vez de forçá-lo a inferir a posição indiretamente.

Com três sensores espaçados ao redor do estator, os ímãs do rotor produzem uma das seis combinações possíveis de alto/baixo à medida que ele passa por uma revolução elétrica completa. Cada combinação corresponde a um setor específico de 60°, e o controlador utiliza uma tabela de consulta para decidir quais duas das três fases devem ser energizadas para aquele setor. À medida que o rotor avança para o próximo setor, o padrão Hall muda, o controlador muda para o próximo par de enrolamentos e o campo magnético giratório continua puxando o rotor para frente – seis etapas discretas por ciclo elétrico, conhecidas como comutação trapezoidal ou de seis etapas.

É também por isso que os sensores Hall são mais importantes quando parados e em baixa velocidade. Um controlador que depende de back-EMF não tem nada para ler até que o motor já esteja girando rápido o suficiente para gerar um sinal utilizável; um motor equipado com Hall informa sua posição a partir do momento em que a energia é aplicada, e é por isso que os projetos com sensor iniciam de forma limpa sob carga, sem adivinhação de malha aberta.

Tipos de sensores de efeito Hall

Nem todos os sensores Hall se comportam da mesma maneira, e a distinção é importante ao especificar ou solucionar problemas de um motor.

• Sensores unipolares digitais ligue quando um dos pólos magnéticos passar por perto e desligue quando o campo diminuir. Eles são simples e baratos, mas menos comuns na comutação BLDC porque não distinguem a polaridade dos pólos de maneira tão clara.
• Sensores digitais bipolares (travamento) ligue na presença de um pólo e desligue somente quando o pólo oposto chegar - mantendo seu estado intermediário. Esse comportamento de travamento proporciona transições limpas e repetíveis e é a escolha padrão para comutação BLDC.
• Sensores analógicos (lineares) emite uma tensão proporcional à intensidade do campo em vez de um simples sinal liga/desliga. Eles são usados ​​com menos frequência para comutação básica, mas aparecem em aplicações que necessitam de resolução de posição mais precisa por meio de interpolação.

Critérios de seleção chave

A escolha de um sensor Hall – ou a avaliação de um já integrado ao motor – se resume a alguns parâmetros que afetam diretamente a precisão da comutação e a eficiência do motor.

Uma análise técnica mais detalhada desses parâmetros, incluindo como os valores de BOP e BRP são lidos em uma folha de dados, está disponível neste Guia de seleção de sensores de efeito Hall da Portescap .

Controle BLDC com sensor e sem sensor

Os sensores Hall não são a única maneira de comutar um motor BLDC, e a alternativa – controle sem sensor baseado em EMF traseiro – troca um conjunto de forças por outro.

Os motores sensorizados fornecem torque de partida confiável sob carga, uma vez que a posição é conhecida mesmo em zero RPM, e eles se comportam bem em aplicações com partidas, paradas ou mudanças de direção frequentes. O custo é uma fiação extra – normalmente um chicote de cinco fios – e mais um componente que pode falhar devido ao calor, vibração ou um conector defeituoso. O controle sem sensor elimina totalmente essa fiação e o ponto de falha associado, mas não pode determinar a posição do rotor até que o motor já esteja girando rápido o suficiente para gerar back-EMF detectável, o que significa uma rampa de inicialização em malha aberta antes que o controle em malha fechada assuma.

Para motores que funcionam continuamente em velocidade moderada a alta – ventiladores, bombas, propulsão de drones – projetos sem sensor costumam ser a escolha mais prática. Para qualquer coisa que necessite de torque confiável desde o início - elevadores de acionamento direto, posicionamento estilo servo, motores de cubo de bicicleta elétrica partindo de uma parada em uma colina - os sensores Hall continuam sendo a aposta mais segura. Este trade-off é explorado com mais profundidade nesta comparação de controle de motor sem escova com sensor sem sensor versus efeito Hall , e esta visão geral de como os controladores de motor BLDC lidam com a comutação de forma mais ampla .

Diagnosticando falhas do sensor Hall comum

Um motor que sacode, para na partida ou funciona em apenas uma direção antes de desligar está apresentando sintomas clássicos de um problema no sensor Hall, em vez de uma falha no enrolamento.

• Falta de sinal em um canal: um único sensor com falha produz uma combinação de estado inválida, que a maioria dos controladores sinalizará como uma falha em vez de tentar comutar incorretamente.
• Rotação brusca ou brusca em baixa velocidade: geralmente aponta para um sensor desalinhado ou que saiu de sua posição angular correta em relação aos ímãs do rotor.
• O motor gira na direção errada ou para imediatamente: pode indicar dois fios Hall trocados durante um reparo ou um sensor conectado à referência de fase errada.
• Corte intermitente sob vibração: um forte sinal de uma junta de solda rachada ou de um conector solto, em vez de um sensor com defeito.

Um multímetro na alimentação de 5 V do sensor e nos pinos de aterramento confirma que a energia está chegando à placa do sensor; verificar cada fio de sinal contra o terra enquanto gira lentamente o eixo com a mão deve mostrar transições limpas entre alto e baixo à medida que cada pólo magnético passa. Um sinal que nunca muda, ou que pisca de forma irregular, aponta para esse sensor específico ou para sua fiação, e não para o controlador.

Combinando a saída do sensor Hall com o controlador do motor

Um motor equipado com Hall é apenas metade da equação – o controlador na outra extremidade do chicote de cinco fios precisa ler os mesmos níveis lógicos e esperar o mesmo arranjo de sensores.

Antes de emparelhar um motor e um controlador, confirme se a tensão de alimentação Hall corresponde às saídas do controlador (as lógicas de 5 V e 3,3 V não são intercambiáveis ​​sem um deslocador de nível) e se a interface do sensor de posição do controlador está configurada para entrada Hall em vez de sinais de codificador ou resolvedor. Controladores que suportam vários métodos de detecção oferecem flexibilidade aqui; o Controlador de motor BLDC de alta compatibilidade da série R2 , por exemplo, funciona com motores com e sem sensor de efeito Hall, o que simplifica a troca entre tipos de motor sem alterar o hardware. Para orientação sobre como combinar modelos de controladores específicos com especificações de motores equipados com Hall, este referência de emparelhamento de controlador e motor percorre os parâmetros que precisam ser alinhados. O completo Linha de controladores de motor BLDC cobre uma faixa de classes de tensão e corrente para motores de diferentes tamanhos.