יישום אפקט הול « אלקטרוניקה מוטורי בקרת מערכות

יישום אפקט הול (Hall Effect Transducers in Electric Motor control Systems)

מערכות בקרה מוטוריות חשמליות התפתחו באופן משמעותי עם שילוב של טכנולוגיות רגישות מדויקות.בין אלה, ה- Hall Effect Transducers בולט כמרכיב מפתח למדידה מגנטית מדויקת.על ידי המרת פלוקס המגנטית למתח חשמלי פרופורציונלי, חיישנים אלה מאפשרים זיהוי אמין של מיקום רוטטור, מהירות, וכיוון.יכולת זו חיונית במיוחד ב- DC (BLDC) מנועים ומתכת קבועה (PMSM), שבו מופעלת תגובה אלקטרונית, כלומר, תגובה מלאה, לחץ חיים, לחץ חיים, לחץ דם, כלומר, לחץ דם, לחץ דם, לחץ דם, תלוי יעילות מתוחהתפקוד יעיל.

הבנת אפקט הול

אפקט האולם, שהתגלה על ידי אדווין הול בשנת 1879, מתרחש כאשר מנצח נוכחי של הקרות ממוקם בשדה מגנטי perpendicular. A מתח, המכונה מתח הול, מתפתח על פני המנצח או thogonal אל הנוכחי והשדה. מודרני אפקט אפקט אפקט טרנסנפצים מוטבעים באמצעות חומרים מוליכים למחצה כגון גליום arsenide (GaAs), באנטיmonide אנטיד (Insb), או סיליקון גבוה יותר.

חיישני האולם העכשווי מגיעים בשני סוגים עיקריים: מתגים (פלט דיגיטלי) ליניארי (פלט אנלוגי) סיבים מעוררים כאשר השדה המגנטי עולה על סף סט, מה שהופך אותם אידיאליים עבור זיהוי נוכחות או היעדר של מוט מגנטי. חיישנים קואר תפוקה מתח פרופורציה לכוח השדה, המציע מיקום רציף או חיישנים משולבים הנוכחי משלבים לעתים קרובות את האלמנט המתפתל עם אותות מעגליים - כולל מערכי טמפרטורה, מנקה, מאמת, מאמת, מאמת וסורקים.

מאפיינים מרכזיים של בקרת מוטור

עבור יישומי בקרה מוטוריים, הול אפקט טרנסנפורמטים חייב לעמוד בקריטריונים ביצועים מחמירים.הם זקוקים לרגישות גבוהה כדי לזהות שינויים שדה מגנטיים קטנים, זמני תגובה מהירים כדי לעמוד במהירויות סיבוב גבוהות, ופעולה חזקה על פני טווח טמפרטורה רחב. חיישנים רבים של תאי רכב פועלים מ -40 מעלות צלזיוס ל +150 מעלות צלזיוס נמוך וסחף נמוך להבטיח כי התפוקה נותרה מדויקת לאורך החיים, בנוסף, מציעים הגנה מודרנית מפני חיישנים נגד היפוך לאחור, פריקה אלקטרוסטטית, פריקה, ופירוק נמוך.

ראשי התיבות של Hall Effect Transducers in Motor control Systems

ה-Hall Effect Transducers תומכים בשלושה פונקציות חיוניות בשליטה מוטורית חשמלית: מיקום רגיש, מדידה מהירה ובקרת ההסעה.כל אחד מהפונקציות האלה מתבסס על יכולת החיישן לזהות במדויק את הקוטביות השדה המגנטיות והעוצמה.

מיקום רוטר Sensing

ב BLDC ו- PMSM מנועים, הרוטב מכיל מגנטים קבועים. Hall חיישנים ממוקמים על הממריץ לזהות את אוריינטציה השדה המגנטי כמו ספינים רוטטור.עבור מנוע BLDC תלת-פעמי, שלושה חיישנים של הול בדרך כלל ממונעים ב 60 מעלות או 120 מרווחי חשמל.תצורה זו מייצרת קבוצה של שישה קודים של מיקום דיסקרטי למהפכת חשמל.

כמה מערכות מתקדמות משתמשות בארבעה או יותר חיישני הול כדי לשפר את ההחלטה ולאפשר זיהוי של סיבובים לא סדירים.עבור יישומים מאוד ברזולוציה גבוהה, חיישני האולם ליניארי יכולים לעקוב ברציפות אחר זווית השדה המגנטי, לספק מיקום דק יותר מאשר מתגים פשוטים.

מהירות מדידה

מדידת מהירות נגזרת מהתדירות של מעברי חיישן הול. כמו המסתובב, כל חיישן הול מתנגן בין מדינות גבוהות ונמוכות.הבקר מספר המעברים על מרווח זמן קבוע או מודד את התקופה בין מעברים רצופים.תדירות הדופק הזו היא פרופורציה ישירות למהירות המנוע.הסימן המהיר משמש באלגוריתמים בשליטה סגורה - כגון תת-ממדית (מכוונת) או שדה בקרה מהיר (C) או הגבלת בקרה (C) על תנאי בקרה (C) או הגבלת בקרה (C) על מנת לשמור על תנאי בקרה (C) או על גבול (C) או על פני מערכת בקרה (מהירות) או על פני מערכת בקרה (מהירות) או על פני מערכת בקרה (C.

מהירות מבוססת הול מספקת מספר יתרונות על שיטות חלופיות כמו זיהוי מחזורי של Back-EMF אפס.הוא מספק קריאה מדויקת גם במהירות אפס, אשר חיוני לתחילת המנוע תחת עומס נוסף, הוא נשאר יציב על פני טמפרטורות שונות ושינויים עומס.

בקרת תקשורת

תקשורת במנועים BLDC כוללת מעבר זרם דרך הממריצים רוח ברצף שמחזיק את השדה המגנטי של רוטר מסונכרן עם שדה המסתובב של הממריץ.האפקט ההלטרנסמונים מספקים את המיקום המסתובב הדרוש לזמן את אירועי המעבר האלה.עבור תקן 3-phaseDC, הבקר קורא את שלושת האותות של הול ומחיל דפוס מעבר מוגדר מראש - כגון 120 מעלות צלזיוס, באופן ישיר, לקצב של יעילות של מעבר ישיר, ואפקטים.

עם משוב הול מדויק, בקר יכול גם לבצע טכניקות מתקדמות כמו ניינוס או נחלש שדה. שיטות אלה חלקה את הפלט מומנט ולהרחיב את טווח המהירות מעבר למהירות הבסיס. בכוננים PMSM, חיי נצח משמשים לעתים קרובות כגיבוי עבור משוב מבוסס קודקוד, הבטחת פעולה בטוחה במקרה של כישלונ קודר.

יתרונות אפקט הול

ה-Hall Effect Transducers מביא יתרונות מרובים לשליטה מוטורית חשמלית, מה שהופך אותם לבחירה פופולרית בתעשיות.

• (FLT:0) דיוק ורזולוציה גבוהה: 1FLT חיישנים מודרניים של האולם המודרני יכול לזהות שינויים שדה מגנטי קטן כמו כמה גאוס. החלטה זו תומכת בעמדה מדויקת של רוטטור ביישומים תובעניים כמו רובוטים וכלי מכונה.
• (FLT:0) ללא מגע פעולה: 1 משום שאין מגע פיזי בין החיישן לבין מגנטית רוטטת, לביים מסולקים.
• זמן התגובה המאוחר של FLT:0 (FLT:1) פעמים תגובה אופייניות על סדר המיקרו-שניות.מהירות זו מאפשרת חיישני הול לעבוד עם מנועים מסתובבים בעשרות אלפי RPM.
• (FLT:0)Compact and Weight:FLT:1 Hallחיישנים שוכנו לעתים קרובות בחבילות קטנות בעלות פני השטח (למשל, SOT-23 או QFN) הם תופסים שטח לוח מינימלי, והם יכולים להיות מוטבעים ישירות לתוך רוחות מוטוריות או פעמונים קצה.
• (FLT:0)Robust to hardסביבות:FLT:1 חיישנים הולמים מתנגדים אבק, לחות, רטט.הם פועלים באופן אמין בתנאי הרכב, רצפות המפעל התעשייתי, והמתקנים החיצוניים.
• (FLT:0) Cost-יעילות:FLT:1 בהשוואה לפתירות, קודים אופטיים, או קודקודים מגנטיים, חיי הול הם בדרך כלל יותר זולים.
• (ב) אין כוח לטור: FLT:1 מאז הרוטב נושא רק מגנטים קבועים, אין צורך בחוטים או טבעות חלקות.

השוואה עם טכנולוגיות חלופיות

בעוד ש-Hall Effect Transducers משמשים נרחב, שיטות אחרות של חישה עמדה קיימות. קודים אופטיים מציעים מאוד גבוהה, אבל סובלים מזיהום ויש להם טווח טמפרטורה מוגבל.פתורים מספקים משוב מוחלט אך הם גדולים, כבדים יותר, ויקרים יותר. חיישנים אינדוקטיביים הם חסינים לשדות מגנטיים זרים אבל דורשים עיבוד אותות מורכב יותר. עבור רוב היישומים לטווח בינוני - במיוחד כאשר עלות, גודל, ועוצמה נמוכה יותר, הם מספקים חיישנים חזקים יותר.

מערכות בקרת מנוע

Integrating Hall Effect Transducers into a Motor control system דורש עיצוב מכני וחשמלי זהיר.החיישנים חייבים להיות ממוקמים יחסית למגנטים רוטורים כדי לייצר אותות ברורים, שלב-מחוק, בדרך כלל, הם רכובים על לוח מעגלים מודפס (PCB) בתוך דיור המנוע, קרוב לקוטבים המגנטיים של רוטטור.

המונחים: google

פלטי חיישן רול הם לעתים קרובות חלשים ורועעים.התת מעגלי המיזוג מגבירים את המתח, להסיר רעש משותף-מודד, וליישם היסטריה כדי למנוע טריגר מזויף.עבור מתגי ה-דיגיטל, גורם שמיט משמש לייצור גלי ריבוע נקיים.האות המומות נשלחות לאחר מכן ליחידת הקלט של הבקר או ל-I / O pins רבים של מיקרו-בקר יש ייעודי באופן אוטומטי כדי לזהות אירועים מדויקים ולהפחית את התזמון.

עבור חיישני האולם ליניארי, הפלט האנלוגי מוזן לתוך ממיר אנלוגי אל-דיגיטלי (ADC) הבקר קורא את המתח המיידי ומדן את זווית השדה המגנטי. שיטה זו מספקת משוב עמדה מתמשך, אך דורש יותר כוח עיבוד מאשר חישה פשוטה המבוססת על מתג.

חיישן הול טיפוסי ליילוט עבור 3-Phase BLDC Motors

במנוע סטנדרטי של שלוש נקודות חשמליות BLDC, שלושה חיישני הול ממוקמים סביב circumference הממריץ.החיישנים הם שטח 120 מעלות חשמליות בנפרד. as the rotor פונה, כל חיישן רואה הקוטב הצפוני או הדרומי.שלוש הפלטים וכתוצאה מכך מייצרים שישה דפוסים בינאריים ייחודיים (001, 010, 011, 100, 101, 110) דפוסים אלה מתאימים ישירות לשישה מדרגות של המנוע משתמש כדי להפעיל לוח זמנים.

ההיערכות של חיישני האולם ביחס ל stator רוחות היא קריטית.אם לא נכון, תזמון ההנעה יהיה כבוי, גרימת pulsations מומנט וצמצום היעילות. במהלך הרכבה המנוע, לוח החיישן הוא לעתים קרובות כוונון רוטט ואז קבוע במקום לאחר cabration. כמה בקרים מוטוריים יכולים לפצות על קטין misalignment באמצעות תזמון.

אינטגרציה עם חברת ניהול מוטור

חברת Firmware קוראת את אותות האולם בתחילת כל לולאה בקרה (בדרך כלל 20-100 kHz עבור אימונים מבוססי חיישן) בהתבסס על המיקום והמהירות, הבקר מחשב את המתח הנדרש עבור מחזור PWM הבא.עבור נסיעה פשוטה בת שישה שלבים, הקוד פשוט ללגום את המחצב המתאים לצד גבוה ונמוך נמוך של מ-FET.

ביישומים הדורשים יעילות גבוהה במהירויות נמוכות - כגון מל"טים, e-bikes וכלים ידניים - הבקר עשוי לשלב משוב חיישן הול עם אלגוריתמים ללא חיישן.בסטארט-אפ, המערכת מסתמכת רק על חיישני הול. ברגע שהמנוע מגיע למהירות מסוימת, המעברים בקר לשליטה ללא חיישן מבוסס-F כדי להפחית את ספירת הרכיב והעלויות.

שיקולים מתקדמים

בעת תכנון עם חיישנים הול, מהנדסים חייבים לקחת בחשבון עבור צלב מגנטי מרוחות צמודות, שינויים בשטף הנגרמת טמפרטורה, וסובלנות מכנית.שימוש במגנטים דלת-קורקטיביות עם סובלנות לדחיסות של פלוקס הדוק עוזר לשמור על חיץ עקבי.מגן עם חומרים מפרטקס עשוי להיות הכרחי אם החיישן הוא ליד מול מול מול מול מול מולטי קירור גדולים.

חיישני האולם המודרניים כוללים לעתים קרובות אורגניזמים עצמיים בנוי, כגון ניטור כוח מגנטי ו pins פלט פגמים. תכונות אלה מאפשרות לבקר לזהות מגנטי שבור, חיישן רופף, או אשמה מדאיגה.

תוצאות חיפוש עבור Hall Effect Transducers

מעבר לשליטה הבסיסית של BLDC, ה-Hall Effect Transducers מאפשר טכניקות בקרה מוטוריות מתוחכמות יותר, והם מוצאים תפקידים חדשים בטכנולוגיות מתפתחות.

עזרה ללא חיישנים

כאמור, כוננים מודרניים רבים משתמשים בגישה היברידית: חיישני הול למבצע מהיר נמוך (שם back-EMF קטן מדי למדידה) ואלגוריתמים ללא חיישן עבור מהירויות בינוניות / גבוהות.שילוב זה מספק סטארט-אפ חזק תחת עומס תוך פשטת העיצוב המנוע (אין עוד חריצים עבור חפיסות חשמל) למערכות הנעות חשמל לרכב (EPS) לעתים קרובות לאמץ אדריכלות זו עבור אמינות גבוהה ועלות נמוכה.

2D ו 3D הול חיישן עבור Multi-Axis Detection

ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית חיישן הול מאפשרות מדידה של שדות מגנטיים בשני או שלושה צירים (X, Y, Z) חיישנים אלה יכולים לזהות הן את הזווית ואת הכוח של וקטור השדה. בשליטה מוטורית, חיישן יחיד 3D הול הממוקם ליד קצה של רוטר יכול לספק זווית פולור מוחלט מעל 360 מעלות, ובכך מבטל את הצורך של שלושה מתגי דיסקרטיות.

שילוב עם ASIL Compliant Systems

עבור יישומי רכב הדורשים בטיחות פונקציונלית (ISO 26262 ASIL B, C, D), חיישני הול מעוצבים עם מנגנוני בטיחות.שני חיישנים עם אלמנטים שונים רגישים ודרכי אותות מאפשרים לבקר להשוות פלטים ולזהות תקלות.מערכות המשלבות חיישנים הול עם טכנולוגיית גינון משנית (למשל, חיישן מגנטי או אינדוקטיבי) להשיג את הריצוף האדום הדרוש אלה הם כעת, עיצובים חשמליים, פתורים, מוליכים חשמל, פתורים, ובטיחים, פתורים, שטף חשמלי.

שימוש ב-Frome ו- Servo Drives

במנועים קומפקטיים ורובוטים שיתופיים, חיישני הול משמשים לעתים קרובות כחלופה יעילה לקודנים אופטיים, למרות שהם מציעים פתרון מקומי נמוך יותר (בדרך כלל 6-12 צעדים למהפכה חשמלית), בשילוב עם טכניקות בין-פולציה וחיישנים אנלוגיים ברזולוציה גבוהה, הם יכולים להשיג 1024 צעדים או יותר מהפכה.

סרבו תעשייתי מניע לעתים קרובות חיישני הול עם קודים מצטברים לבטיחות וסטארט-אפ.החיישנים של הול מספקים מסלול נסיעה המסנכרן את הדלפק הקודד עם מיקום הרוטור. גישה זו דו-צדדית מבטיחה כי הקודש אינו מאבד את המיקום כאשר המנוע מופעל.

מגמות מתפתחות: TMR ו- GMR Sensors

מנהרה מגנטיתרסיסטנס (TMR) ו- ענק מגנטיזציה (GMR) חיישנים צוברים מתחודדים כמו חלופות רגישות גבוהה יותר לחיישנים הול ביישומים מסוימים.עם זאת, ההל Effecturducers נשאר דומיננטי בשל העלות הנמוכה שלהם, לינאריות וטווח טמפרטורה תפעולי רחב.התעשייה היא לקראת שילוב חיישנים הול עם microcontrols בחבילה אחת, יצירת בקרים מנועים ללא חיישן שעדיין נהנים משילוב זה ולהפחית את תחום הסימולציות הייצור.

מסקנה

ה- Hall Effect Transducers הפכו ל-ABC של מערכות בקרה מוטוריות מודרניות.היכולת שלהם לזהות באופן אמין את מיקום ה-Roundor, מהירות, וכיוון מאפשר נסיעה אלקטרונית מדויקת ב- BLDC ו- PMSM. עם יתרונות כגון פעולה ללא מגע, תגובה מהירה, גודל קומפקטי, וזמינות, חיישנים מבצעים טכנולוגיות חלופיות רבות בטווח רחב של יישומים - מאלקטרוניקה צרכנית ומכוניות לאוטומציה תעשייתית ורובוטיקה.

מאחר שבקרת המנוע דורשת לצמוח – יעילות גבוהה יותר, רעש נמוך יותר, צפיפות כוח גדולה יותר – התפקיד של מחוללי אפקט הול ממשיך להתרחב.התקדמות ב- 3D sensing, אבחון משולב, וארכיטקטורה היברידית ללא חיישן מבטיח לשמור על חיידקים רלוונטיים לשנים הבאות.מהנדסים עיצוב מערכות מנועים יכולים לסמוך בבטחה על טכנולוגיית הול כדי לספק שליטה יעילה, יעילה ובעלת ביצועים גבוהים.

(ב) לעיין בהערות של יישום (FLT:0) ,Allegro MicroSystemsFLT:1, FLT:2Texas InstrumentsFLT 3: ו-FLT:4MelexisFLT:5 משאבים אלה מספקים הדרכה מפורטת על בחירת חיישן, עיצוב מעגלים ואינטגרציה.