BLDC-Hallsensor: Funktionsweise, Typen und Leitfaden zur Fehlerbehebung

Was ist ein Hallsensor in einem BLDC-Motor?

Ziehen Sie die Endkappe von den meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren ab und Sie werden drei winzige Komponenten in der Nähe der Wicklungen finden, von denen jedes kaum größer als ein Reiskorn ist. Das sind die Hall-Sensoren, und ohne sie – oder einen Ersatz wie die Gegen-EMF-Erkennung – kann der Motor nicht wissen, in welche Richtung er schieben muss.

Ein Hall-Sensor erkennt Magnetfelder mithilfe des Hall-Effekts: Wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einem stromführenden Element verläuft, schiebt es Ladungsträger zur Seite und erzeugt so eine messbare Spannung. Bei einem BLDC-Motor sitzen drei dieser Sensoren am Stator in der Nähe des nicht-antriebsseitigen Endes und sind so positioniert, dass die Permanentmagnete des Rotors an ihnen vorbeistreichen, wenn sich die Welle dreht. Jeder Sensor schaltet hoch oder niedrig, je nachdem, ob sich ein Nord- oder Südpol in der Nähe befindet, und die Kombination aller drei Signale teilt dem Controller jederzeit genau mit, wo sich der Rotor befindet – auch wenn sich der Motor nicht bewegt.

Wie Hall-Sensoren die Kommutierung vorantreiben

Bei einem dreiphasigen BLDC-Motor muss der Wicklungsstrom in der richtigen Reihenfolge geschaltet werden, damit sich der Rotor dreht – ein Vorgang, der als Kommutierung bezeichnet wird. Hall-Sensoren machen dies möglich, indem sie dem Controller eine direkte Anzeige der Rotorposition liefern, anstatt ihn zu zwingen, indirekt auf die Position zu schließen.

Mit drei um den Stator verteilten Sensoren erzeugen die Magnete des Rotors eine von sechs möglichen Hoch-/Tief-Kombinationen, während er eine vollständige elektrische Umdrehung durchläuft. Jede Kombination entspricht einem bestimmten 60°-Sektor, und der Controller verwendet eine Nachschlagetabelle, um zu entscheiden, welche zwei der drei Phasen für diesen Sektor aktiviert werden sollen. Wenn der Rotor in den nächsten Sektor vorrückt, ändert sich das Hall-Muster, die Steuerung schaltet auf das nächste Wicklungspaar um und das rotierende Magnetfeld zieht den Rotor weiter vorwärts – sechs diskrete Schritte pro elektrischem Zyklus, bekannt als trapezförmige oder sechsstufige Kommutierung.

Aus diesem Grund sind Hall-Sensoren im Stillstand und bei niedriger Geschwindigkeit am wichtigsten. Ein Controller, der auf Gegen-EMK setzt, hat nichts zu lesen, bis der Motor bereits schnell genug dreht, um ein brauchbares Signal zu erzeugen; Ein mit Hall ausgestatteter Motor meldet seine Position ab dem Moment, in dem Strom angelegt wird, weshalb sensorgesteuerte Konstruktionen unter Last sauber starten, ohne dass Schätzungen im offenen Regelkreis erforderlich sind.

Arten von Hall-Effekt-Sensoren

Nicht alle Hall-Sensoren verhalten sich gleich, und die Unterscheidung ist bei der Spezifikation oder Fehlerbehebung eines Motors wichtig.

• Digitale unipolare Sensoren Einschalten, wenn einer der Magnetpole in der Nähe vorbeikommt, und ausschalten, sobald das Feld abfällt. Sie sind einfach und kostengünstig, werden jedoch bei der BLDC-Kommutierung weniger verwendet, da sie die Polpolarität nicht so sauber unterscheiden.
• Digitale bipolare (selbsthaltende) Sensoren schalten sich ein, wenn ein Pol vorhanden ist, und schalten sich erst aus, wenn der Gegenpol eintrifft – und behalten ihren Zustand dazwischen bei. Dieses Verriegelungsverhalten sorgt für saubere, wiederholbare Übergänge und ist die Standardwahl für die BLDC-Kommutierung.
• Analoge (lineare) Sensoren Geben Sie statt eines einfachen Ein-/Aus-Signals eine zur Feldstärke proportionale Spannung aus. Sie werden seltener für die einfache Kommutierung verwendet, tauchen aber in Anwendungen auf, die eine feinere Positionsauflösung durch Interpolation erfordern.

Wichtige Auswahlkriterien

Bei der Auswahl eines Hall-Sensors – oder der Bewertung eines bereits in einen Motor eingebauten Sensors – kommt es auf eine Handvoll Parameter an, die sich direkt auf die Kommutierungsgenauigkeit und den Motorwirkungsgrad auswirken.

Eine tiefere technische Aufschlüsselung dieser Parameter, einschließlich der Art und Weise, wie BOP- und BRP-Werte aus einem Datenblatt gelesen werden, finden Sie hier Auswahlhilfe für Hall-Effekt-Sensoren von Portescap .

Sensorisierte vs. sensorlose BLDC-Steuerung

Hall-Sensoren sind nicht die einzige Möglichkeit, einen BLDC-Motor zu kommutieren, und die Alternative – sensorlose, auf Gegen-EMK basierende Steuerung – tauscht eine Reihe von Stärken gegen eine andere.

Sensorenmotoren liefern unter Last ein zuverlässiges Anlaufdrehmoment, da die Position auch bei null U/min bekannt ist, und sie halten Anwendungen mit häufigen Starts, Stopps oder Richtungswechseln gut stand. Die Kosten entstehen durch zusätzliche Verkabelung – normalerweise ein fünfadriger Kabelbaum – und eine weitere Komponente, die aufgrund von Hitze, Vibration oder einem schlechten Stecker ausfallen kann. Die sensorlose Steuerung eliminiert diese Verkabelung und die damit verbundene Fehlerstelle vollständig, kann jedoch die Rotorposition erst bestimmen, wenn sich der Motor bereits schnell genug dreht, um eine erkennbare Gegen-EMK zu erzeugen, was eine Anlauframpe im offenen Regelkreis bedeutet, bevor die Regelung im geschlossenen Regelkreis übernimmt.

Für Motoren, die kontinuierlich mit mittlerer bis hoher Drehzahl laufen – Lüfter, Pumpen, Drohnenantrieb – sind sensorlose Designs oft die praktischere Wahl. Für alles, was ein zuverlässiges Drehmoment aus dem Stand benötigt – direkt angetriebene Hebebühnen, Servo-Positionierung, E-Bike-Nabenmotoren zum Anfahren aus einem Halt auf einem Hügel – sind Hall-Sensoren nach wie vor die sicherere Wahl. Dieser Kompromiss wird in diesem Vergleich ausführlicher untersucht sensorlose versus bürstenlose Motorsteuerung mit Hall-Effekt-Sensor , und dieser Überblick über wie BLDC-Motorsteuerungen die Kommutierung im weiteren Sinne handhaben .

Diagnose häufiger Hallsensorfehler

Ein Motor, der ruckelt, beim Starten blockiert oder nur in eine Richtung läuft, bevor er abschaltet, weist eher die klassischen Symptome eines Hall-Sensor-Problems als eines Wicklungsfehlers auf.

• Fehlendes Signal auf einem Kanal: Ein einzelner ausgefallener Sensor erzeugt eine ungültige Zustandskombination, die von den meisten Steuerungen als Fehler gekennzeichnet wird, anstatt zu versuchen, falsch zu kommutieren.
• Raues oder ruckartiges Drehen bei niedriger Geschwindigkeit: deutet oft auf einen falsch ausgerichteten Sensor oder einen Sensor hin, der aus seiner korrekten Winkelposition relativ zu den Rotormagneten herausgedriftet ist.
• Motor dreht in die falsche Richtung oder bleibt sofort stehen: Dies kann darauf hindeuten, dass während einer Reparatur zwei Hall-Drähte vertauscht wurden oder dass ein Sensor mit der falschen Phasenreferenz verdrahtet ist.
• Kurzzeitige Abschaltung bei Vibration: Ein deutliches Anzeichen dafür, dass die Lötstelle gerissen ist oder sich ein Stecker gelöst hat, und nicht, dass der Sensor selbst defekt ist.

Ein Multimeter an den 5-V-Versorgungs- und Erdungsstiften des Sensors bestätigt, dass die Sensorplatine mit Strom versorgt wird. Wenn Sie jedes Signalkabel mit der Erde vergleichen, während Sie die Welle langsam von Hand drehen, sollten beim Passieren jedes Magnetpols saubere Übergänge zwischen Hoch und Tief sichtbar sein. Ein Signal, das sich nie ändert oder unregelmäßig flackert, deutet auf diesen bestimmten Sensor oder seine Verkabelung und nicht auf den Controller hin.

Passender Hall-Sensor-Ausgang für Ihre Motorsteuerung

Ein mit Hall ausgestatteter Motor ist nur die halbe Miete – der Controller am anderen Ende dieses fünfadrigen Kabelbaums muss die gleichen Logikpegel lesen und die gleiche Sensoranordnung erwarten.

Bevor Sie einen Motor und einen Controller koppeln, stellen Sie sicher, dass die Hall-Versorgungsspannung mit den Ausgängen des Controllers übereinstimmt – 5-V- und 3,3-V-Logik sind ohne Pegelumsetzer nicht austauschbar – und dass die Positionssensorschnittstelle des Controllers für Hall-Eingang und nicht für Encoder- oder Resolversignale konfiguriert ist. Controller, die mehrere Erfassungsmethoden unterstützen, bieten hier Flexibilität; die Hochkompatible BLDC-Motorsteuerung der R2-Serie funktioniert beispielsweise sowohl mit Hall-Effekt-Sensoren als auch mit sensorlosen Motoren, was den Austausch zwischen Motortypen ohne Änderung der Hardware vereinfacht. Hier finden Sie Hinweise zur Anpassung bestimmter Controller-Modelle an die Spezifikationen von Hall-Motoren Referenz zur Kopplung von Controller und Motor geht die Parameter durch, die angepasst werden müssen. Das volle Sortiment an BLDC-Motorsteuerungen deckt eine Reihe von Spannungs- und Stromklassen für Motoren unterschiedlicher Größe ab.