كيف يعمل حساس تأثير هول على محرك bldc: تطبيقات عملية، اختيار

إذا سبق لك أن فتحت محرك DC (BLDC) بدون فرش أو قمت بدراسة إلكترونيات القيادة الخاصة به، فمن المحتمل أنك لاحظت وجود ثلاثة مستشعرات صغيرة لتأثير Hall بالقرب من الدوار. من السهل التغاضي عنها، إلا أنها من بين أهم المكونات في التحكم في المحركات. نشرح في هذا الدليل كيفية عمل حساس تأثير Hall في محرك BLDC، ولماذا يحتاج المحرك إليه، وماذا يحدث عندما تصل إشارة الحساس إلى وحدة التحكم.

في شركة Hongyang Motor، قضينا أكثر من ثلاثة عقود في الإنتاج محركات التيار المستمر بدون فرش وغيرها من الحلول الحركية الدقيقة. قد يكون مستشعر Hall جزءًا صغيرًا، لكن تأثيره على الكفاءة والتشغيل السلس كبير.

ما هو مستشعر تأثير هول؟

تأثير هول هو ظاهرة فيزيائية تم اكتشافها في عام 1879. عندما يتدفق تيار عبر موصل رفيع أو شبه موصل ويتم تطبيق مجال مغناطيسي بزاوية قائمة على التيار، تنحرف الشحنات المتحركة. وهذا يخلق جهدًا صغيرًا عبر المادة، عموديًا على كل من التيار والمجال المغناطيسي. مستشعر تأثير هول هو ببساطة جهاز يقيس هذا الجهد ويحوله إلى إشارة منطقية.

في محرك BLDC، يتم وضع المستشعر بالقرب من الدوار. عندما تمر المغناطيسات الدائمة الموجودة على الدوار بالمستشعر، يقوم المجال المغناطيسي المتغير بتبديل مخرجات المستشعر. يمكن لوحدة التحكم بعد ذلك معرفة ما إذا كان هناك قطب شمالي أو قطب جنوبي قريب.

لماذا يحتاج محرك BLDC إلى استشعار موضع الدوار

على عكس المحرك المصقول المزود بمبدل ميكانيكي، يعتمد محرك BLDC على التبديل الإلكتروني. يجب تغذية ملفات الجزء الثابت بتسلسل دقيق، ويعتمد توقيت هذا التسلسل على موضع الجزء المتحرك. إذا قامت وحدة التحكم بتنشيط الملف الخاطئ، فلن يقوم المحرك بتوليد عزم دوران مفيد. وبدلاً من ذلك، قد يتوقف الجهاز أو يهتز أو يسخن أكثر من اللازم.

تعمل مستشعرات القاعة على حل هذه المشكلة عن طريق إعطاء وحدة التحكم ملاحظات في الوقت الفعلي حول مكان وجود الدوار. ثلاثة أجهزة استشعار كافية لتحديد ست حالات تخفيف، والتي تتوافق مع نمط التبديل القياسي المكون من ست خطوات المستخدم في معظم محركات BLDC ثلاثية الطور.

كيف يتم ترتيب أجهزة استشعار القاعة وكيف تعمل معًا

في محرك BLDC النموذجي ثلاثي الطور، توجد ثلاثة مستشعرات Hall متباعدة بمقدار 60 درجة كهربائية. تستخدم بعض التصميمات مسافة 120 درجة، لكن المفهوم يظل كما هو. عادةً ما يتم تركيب المستشعرات على لوحة مستشعر صغيرة في نهاية المحرك، خلف الحلقة المغناطيسية للدوار. يقرأ كل جهاز استشعار المجال المغناطيسي على أنه مرتفع أو منخفض، اعتمادًا على ما إذا كان القطب المواجه له شمالًا أم جنوبًا.

تشكل الإشارات الثلاث معًا رمزًا مكونًا من 3 بتات. نظرًا لأن كل دورة كهربائية تحتوي على ستة أجزاء بزاوية 60 درجة، يتم استخدام ستة فقط من الحالات الثماني الممكنة. يعرض الجدول أدناه رسم خرائط مشتركًا واحدًا؛ يمكن أن يتغير النمط الدقيق مع وضع المستشعر وتكوين لف المحرك.

بمجرد أن ترى وحدة التحكم تغيرًا في الحالة، فإنها تعلم أن الدوار قد تحرك بمقدار 60 درجة كهربائية. ثم يقوم بعد ذلك بتحويل الترانزستورات العاكسة إلى الخطوة التالية، مع الحفاظ على مجال الجزء الثابت أمام الدوار. ولهذا السبب يُطلق على هذا الترتيب أحيانًا اسم "الخطوات الستة" أو "التخفيف شبه المنحرف".

خطوة بخطوة: كيف يتحكم مستشعر القاعة في المحرك

1. تمر أقطاب المغناطيس الدوار أمام مستشعرات القاعة الثلاثة.
2. يقوم كل مستشعر بإخراج إشارة عالية أو منخفضة حسب القطبية الموجودة تحته.
3. يتم دمج المخرجات الثلاثة في حالة 3 بت.
4. تبحث وحدة التحكم عن هذه الحالة في جدول التبديل الخاص بها.
5. يقوم بتبديل العاكس ثلاثي الطور لتنشيط الزوج الصحيح من اللفات الثابتة.
6. يتقدم مجال الجزء الثابت، ويسحب الدوار إلى الموضع التالي.
7. تتكرر العملية، مما يؤدي إلى دوران مستمر.

يجب أن تكون إشارة القاعة نظيفة وتوقيتها صحيح. حتى الإزاحة الصغيرة في موضع المستشعر يمكن أن تتسبب في تبديل وحدة التحكم مبكرًا أو متأخرًا، مما يقلل الكفاءة ويزيد الضوضاء.

مستشعرات القاعة مقابل التحكم بدون مستشعر: ماذا تختار

يقوم نظام التحكم BLDC بدون مستشعر بتقدير موضع الدوار من القوة الدافعة الكهربائية الخلفية المتولدة في الملف غير المزود بالطاقة. فهو يلغي مستشعرات Hall، مما يقلل التكلفة ويبسط عملية التجميع. ومع ذلك، فإن EMF الخلفي غير متاح عند إيقاف المحرك، لذلك عادة ما يكون بدء التشغيل بدون مستشعر أكثر صعوبة وأقل قوة في ظل الحمل الثقيل.

• مستشعرات القاعة: موضع دقيق عند السرعة صفر، وبدء تشغيل أكثر سلاسة، وضبط أبسط.
• بدون مستشعر: مكونات أقل، تكلفة أقل، مناسب للبيئات عالية السرعة والنظيفة.

تطبيقات مثل الروبوتات الصناعية غالبًا ما تفضل المعدات الطبية والطائرات بدون طيار تصميمات مستشعرات هول لأنها تحتاج إلى عزم دوران يمكن التنبؤ به من حالة التوقف التام. من ناحية أخرى، قد تعمل المراوح والمضخات بدون أجهزة استشعار لتقليل تكلفة النظام.

ما تعلمناه في تصنيع محركات BLDC ذات مستشعر القاعة

خلال أكثر من 30 عامًا من تصنيع المحركات الصغيرة، وجدنا أن وضع مستشعر Hall هو أحد أكثر خطوات الإنتاج حساسية للتفاصيل. يجب أن تتم محاذاة المستشعرات بشكل متسق مع فتحات الجزء الثابت ومغناطيس الجزء الدوار. يمكن أن يؤثر انحراف المستشعر وجودة اللحام وحتى سمك المادة اللاصقة على التوقيت. يُحدث التصميم الجيد والتحكم في العملية فرقًا بين المحرك الهادئ والفعال والمحرك الذي يصدر صوت طنين أو يفقد عزم الدوران.

الدفع بالطائرة بدون طيار هو مثال جيد. يحتاج محرك الطائرة بدون طيار إلى استجابة فورية عندما يقوم الطيار بتغيير دواسة الوقود، ويجب أن يبدأ التشغيل دون تردد. ولهذا السبب قمنا بتصميم محرك DC بدون فرش للطائرات بدون طيار باستخدام مستشعرات Hall في موضع جيد ولوحة تشغيل متطابقة. إذا كنت تختار محرك BLDC لمنتج صغير الحجم وعالي الأداء، فيجب أن يكون مخطط مستشعر Hall جزءًا من تقييمك، وليس فكرة لاحقة.

الأفكار الختامية

تعد مستشعرات تأثير هول بمثابة الجسر العملي بين موضع الدوار المادي ووحدة التحكم الإلكترونية في محرك BLDC. إنها تجعل عملية التبديل المكونة من ست خطوات موثوقة، خاصة عند السرعة المنخفضة وتحت الحمل. سواء كنت تصمم محركًا لطائرة بدون طيار، أو روبوتًا، أو جهازًا ذكيًا، فإن فهم كيفية عمل هذه المستشعرات يساعدك على تقييم تصميم المحرك بعناية أكبر وطرح الأسئلة الصحيحة قبل اختيار المورد.