come funziona il sensore ad effetto Hall sul motore BLDC: applicazioni pratiche, selezione

Se hai mai aperto un motore DC senza spazzole (BLDC) o ne hai studiato l'elettronica di azionamento, probabilmente hai notato tre piccoli sensori a effetto Hall posizionati vicino al rotore. Sono facili da trascurare, eppure sono tra i componenti più importanti nel controllo motorio. In questa guida spieghiamo come funziona un sensore ad effetto Hall in un motore BLDC, perché il motore ne ha bisogno e cosa succede quando il segnale del sensore raggiunge il controller.

Alla Hongyang Motor abbiamo dedicato più di tre decenni alla produzione motori CC senza spazzole e altre soluzioni di micromotori. Il sensore Hall può essere una piccola parte, ma la sua influenza sull’efficienza e sul buon funzionamento è significativa.

Cos'è un sensore ad effetto Hall?

L'effetto Hall è un fenomeno fisico scoperto nel 1879. Quando una corrente scorre attraverso un conduttore sottile o un semiconduttore e un campo magnetico viene applicato ad angolo retto rispetto alla corrente, le cariche in movimento vengono deviate. Ciò crea una piccola tensione attraverso il materiale, perpendicolare sia alla corrente che al campo magnetico. Un sensore ad effetto Hall è semplicemente un dispositivo che misura questa tensione e la converte in un segnale logico.

In un motore BLDC, il sensore è posizionato vicino al rotore. Quando i magneti permanenti sul rotore oltrepassano il sensore, il campo magnetico variabile commuta l'uscita del sensore. Il controller può quindi riconoscere se nelle vicinanze si trova un polo nord o un polo sud.

Perché un motore BLDC necessita del rilevamento della posizione del rotore

A differenza di un motore a spazzole con commutatore meccanico, un motore BLDC si basa sulla commutazione elettronica. Gli avvolgimenti dello statore devono essere energizzati in una sequenza precisa e la tempistica di tale sequenza dipende dalla posizione del rotore. Se il controller eccita l'avvolgimento sbagliato, il motore non genererà una coppia utile. Potrebbe invece bloccarsi, vibrare o surriscaldarsi.

I sensori Hall risolvono questo problema fornendo al controller un feedback in tempo reale sulla posizione del rotore. Tre sensori sono sufficienti per definire sei stati di commutazione, che corrisponde al modello di commutazione a sei fasi standard utilizzato nella maggior parte dei motori BLDC trifase.

Come sono disposti i sensori Hall e come lavorano insieme

In un tipico motore BLDC trifase, tre sensori Hall sono distanziati di 60 gradi elettrici l'uno dall'altro. Alcuni progetti utilizzano una spaziatura di 120 gradi, ma il concetto rimane lo stesso. I sensori sono solitamente montati su una piccola scheda sensore all'estremità del motore, dietro l'anello magnetico del rotore. Ogni sensore legge il campo magnetico come alto o basso, a seconda che il polo rivolto verso di lui sia nord o sud.

I tre segnali insieme formano un codice a 3 bit. Poiché ogni ciclo elettrico ha sei segmenti di 60 gradi, vengono utilizzati solo sei degli otto stati possibili. La tabella seguente mostra una mappatura comune; lo schema esatto può cambiare in base al posizionamento del sensore e alla configurazione dell'avvolgimento del motore.

Una volta che il controller rileva un cambiamento nello stato, sa che il rotore si è spostato di 60 gradi elettrici. Quindi commuta i transistor dell'inverter alla fase successiva, mantenendo il campo dello statore davanti al rotore. Questo è il motivo per cui la disposizione è talvolta chiamata commutazione a sei fasi o trapezoidale.

Passo dopo passo: come il sensore Hall controlla il motore

1. I poli magnetici del rotore passano davanti ai tre sensori Hall.
2. Ciascun sensore emette un segnale alto o basso a seconda della polarità sottostante.
3. Le tre uscite si combinano in uno stato a 3 bit.
4. Il controllore cerca questo stato nella sua tabella di commutazione.
5. Commuta l'inverter trifase per energizzare la corretta coppia di avvolgimenti dello statore.
6. Il campo dello statore avanza, trascinando il rotore nella posizione successiva.
7. Il processo si ripete, creando una rotazione continua.

Il segnale di Hall deve essere pulito e sincronizzato correttamente. Anche un piccolo spostamento nella posizione del sensore può causare la commutazione anticipata o ritardata del controller, riducendo l'efficienza e aumentando il rumore.

Sensori Hall e controllo sensorless: cosa scegliere

Il controllo BLDC senza sensori stima la posizione del rotore in base alla forza elettromotrice generata nell'avvolgimento non alimentato. Elimina i sensori Hall, riducendo i costi e semplificando l'assemblaggio. Tuttavia, la back-EMF non è disponibile quando il motore è fermo, quindi l'avvio senza sensori è solitamente più complicato e meno robusto in condizioni di carico pesante.

• Sensori Hall: posizione precisa a velocità zero, avvio più fluido, messa a punto più semplice.
• Senza sensori: meno componenti, costi inferiori, ideali per ambienti puliti e ad alta velocità.

Applicazioni come robot industriali , apparecchiature mediche e droni spesso preferiscono i progetti con sensori Hall perché necessitano di una coppia prevedibile da fermo. Ventole e pompe, d'altra parte, possono funzionare senza sensori per ridurre i costi del sistema.

Cosa abbiamo imparato nella produzione di motori BLDC con sensore Hall

In oltre 30 anni di produzione di micromotori, abbiamo scoperto che il posizionamento del sensore Hall è una delle fasi più sensibili ai dettagli nella produzione. I sensori devono essere allineati in modo coerente con le fessure dello statore e i magneti del rotore. La deriva del sensore, la qualità della saldatura e persino lo spessore dell'adesivo possono influenzare i tempi. Una buona progettazione e un buon controllo del processo fanno la differenza tra un motore silenzioso ed efficiente e uno che ronza o perde coppia.

La propulsione dei droni è un buon esempio. Il motore di un drone necessita di una risposta immediata quando il pilota cambia acceleratore e deve avviarsi senza esitazione. Ecco perché progettiamo il nostro motore DC brushless per droni con sensori Hall ben posizionati e una scheda driver abbinata. Se stai selezionando un motore BLDC per un prodotto compatto e ad alte prestazioni, lo schema del sensore Hall dovrebbe far parte della tua valutazione, non essere un ripensamento.

Pensieri conclusivi

I sensori ad effetto Hall sono il pratico ponte tra la posizione fisica del rotore e il controller elettronico in un motore BLDC. Rendono affidabile la commutazione a sei fasi, soprattutto a bassa velocità e sotto carico. Che tu stia progettando un motore per un drone, un robot o un elettrodomestico intelligente, capire come funzionano questi sensori ti aiuta a valutare il progetto di un motore con maggiore attenzione e a porre le domande giuste prima di scegliere un fornitore.