Датчик холла мотор aam

Датчики Холла для бесколлекторного двигателя: возвращение квадратурных энкодеров

Это уже третья статья, рассказывающая о квадратурных декодерах, на сей раз с применением к управлению бесколлекторными двигателями.

  • Статья первая: принцип работы квадратурного декодера + код для ардуино.
  • Статья вторая: квадратурный декодер на stm32.

Задача: есть обычный китайский бесколлекторник, нужно его подключить к контроллеру Copley Controls 503. В отличие от копеечных коптерных контроллеров, 503й хочет сигнал с датчиков холла, которых на движке нет. Давайте разбираться, для чего нужны датчики и как их ставить.

Ликбез: принцип работы бесколлекторного двигателя

В качестве иллюстрации я возьму очень распространённый двигатель с двенадцатью катушками в статоре и четырнадцатью магнитами в роторе. Вариантов намотки и количества катушек/магнитов довольно много, но суть всегда остаётся одной и той же. Вот фотография моего экземпляра с двух сторон, отлично видны и катушки, и магниты в роторе:

Датчик холла мотор aam

Чтобы было ещё понятнее, я нарисовал его схему, полюса магнитов ротора обозначены цветом, красный для северного и синий для южного:

Датчик холла мотор aam

На датчики холла пока не обращайте внимания, их всё равно нет 🙂

Что будет, если подать плюс на вывод V, а минус на вывод W (вывод U не подключаем ни к чему)? Очевидно, будет течь ток в катушках, намотанных зелёным проводом. Катушки намотаны в разном направлении, поэтому верхние две катушки будут притягиваться к магнитам 1 и 2, а нижние две к магнитам 8 и 9. Остальные катушки и магниты в такой конфигурации роли практически не играют, поэтому я выделил именно магниты 1,2,8 и 9. При такой запитке мотора он очевидно крутиться не будет, и будет иметь семь устойчивых положений ротора, равномерно распределённых по всей окружности (левая верхняя зелёная катушка статора может притягивать магниты 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13).

Давайте записывать наши действия вот в такую табличку:

Угол поворота ротораUVW
n.c.+

А что будет, если теперь подать плюс на U и минус на W? Красные катушки притянут к себе магниты 3,4,10 и 11, таким образом чуть-чуть повернув ротор (я по-прежнему выделяю магниты, за которые ротор тянет):

Датчик холла мотор aam

Давайте посчитаем, на сколько повернётся ротор: между щелями магнитов 1-2 и 3-4 у нас 51.43° (=360°*2/7), а между соответствующими щелями в статоре 60° (=360°/12*2). Таким образом, ротор провернётся на 8.57°. Обновим нашу табличку:

Угол поворота ротораUVW
8.57°+n.c.

Теперь сам бог велел подать + на U и — на V!

Датчик холла мотор aam

Угол поворота ротораUVW
17.14°+n.c.

Теперь опять пора выровнять магниты с зелёными катушками, поэтому подаём напряжение на них, но красный и синий магниты поменялись местами, поэтому теперь нужно подать обратное напряжение:

Датчик холла мотор aam

Угол поворота ротораUVW
25.71°n.c.+

C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:

Датчик холла мотор aam

Угол поворота ротораUVW
34.29°n.c.+

Датчик холла мотор aam

Угол поворота ротораUVW
42.85°+n.c.

Если мы снова повторим самый первый шаг, то наш ротор провернётся ровно на одну седьмую оборота. Итак, всего у нашего мотора три вывода, мы можем подать напряжение на два из них шестью разными способами 6 = 2*C 2 3, причём мы их все уже перебрали. Если подавать напряжение не хаотично, а в строгом порядке, который зависит от положения ротора, то двигатель будет вращаться.

Запишем ещё раз всю последовательность для нашего двигателя:

Угол поворота ротораUVW
n.c.+
8.57°+n.c.
17.14°+n.c.
25.71°n.c.+
34.29°n.c.+
42.86°+n.c.

Есть один нюанс: у обычного коллекторного двигателя за переключение обмоток отвечают щётки, а тут нам надо определять положение ротора самим.

Датчики Холла

Теперь давайте поставим три датчика холла в те чёрные точки, обозначенные на схеме. Давайте договоримся, что датчик выдаёт логическую единицу, когда он находится напротив красного магнита. Всего существует шесть (сюрприз!) возможных состояний трёх датчиков: 2 3 — 2. Всего возможных состояний 8, но в силу расстояния между датчиками они не могут все втроём быть в логическом нуле или в логической единице:

Датчик холла мотор aam

Обратите внимание, что они генерируют три сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 периода. Кстати, электрики используют слово градусы, говоря про 120°, чем окончательно запутывают нубов типа меня. Если мы хотим сделать свой контроллер двигателя, то достаточно читать сигнал с датчиков, и соответственно переключать напряжение на обмотках.

Для размещения датчиков я использовал вот такую платку, дизайн которой взял тут. По ссылке лежит проект eagle, так что я просто заказал у китайцев сразу много подобных платок:

Датчик холла мотор aam

Эти платки несут на себе только три датчика холла, больше ничего. Ну, по вкусу можно поставить конденсаторы, я не стал заморачиваться. Очень удобно сделаны длинные прорези для регулировки положения датчиков относительно статора.

Постойте, но ведь это очень похоже на квадратурный сигнал с обычного инкрементального энкодера!

Ещё бы! Единственная разница, что инкрементальные энкодеры дают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90°, а у нас три сигнала, сдвинутые на 120°. Что будет, если завести любые два из них на обычный квадратурный декодер, например, той же самой синей таблетки? Мы получим возможность определять положение вала с точностью до четырёх отсчётов на одну седьмую оборота, или 28 отсчётов на оборот. Если вы не поняли, о чём я, прочтите принцип работы квадратурного декодера в первой статье.

Я долго думал, как же мне использовать все три сигнала, ведь у нас происходит шесть событий на одну седьмую оборота, мы должны иметь возможность получить 42 отсчёта на оборот. В итоге решил пойти грубой силой, так как синяя таблетка имеет кучу аппаратных квадратурных декодеров, поэтому я решил в ней завести три счётчика:

Датчик холла мотор aam

Видно, что при каждом событии у нас увеличиваются два из них, поэтому сложив три счётчика, и поделив на два, мы получим равномерно тикающий определитель положения вала, с точностью до 6*7 = 42 отсчёта на оборот!

Вот так выглядит макет подключения датчиков Холла к синей таблетке:

Датчик холла мотор aam

А почему на двигателе сразу нет датчиков?

В некоторых приложениях (например, для коптеров) все эти заморочки не нужны. Контроллеры пытаются угадать происходящее с ротором по току в катушках. С одной стороны, это меньше заморочек, но с другой стороны, иногда приводит к проблемам с моментом старта двигателя, поэтому слабоприменимо, например, в робототехнике, где нужны околонулевые скорости. Давайте попробуем запитать наш движок от обычного китайского коптерного ESC (electronic speed controller).

Мой контроллер хочет на вход PPM сигнал: это импульс с частотой 50Гц, длина импульса задаёт обороты: 1мс — останов, 2мс — максимально возможные обороты (считается как KV двигателя * напряжение).

Вот здесь я выложил исходный код и кубовские файлы для синей таблетки. Таймер 1 генерирует PWM для ESC, таймеры 2,3,4 считают соответствующие квадратурные сигналы. Поскольку в прошлой статье я крайне подробно расписал, где и что кликать, то здесь только даю ссылку на исходный код.

На вход моему ESC я даю пилообразное задание скорости, посмотрим, как он его отработает. Вывод синей таблетки лежит тут, а код, который рисует график, тут.

Поскольку у меня двигатель имеет номинал 400KV, а питание я подал 10В, то максимальные обороты должны быть в районе 4000 об/мин = 419 рад/с. Ну а вот и график подоспел:

Датчик холла мотор aam

Видно, что реальные обороты соответствуют заданию весьма приблизительно, что терпимо для коптеров, но совершенно неприменимо во многих других ситуациях, почему, собственно, я и хочу использовать более совершенные контроллеры, которым нужны сигналы с датчиков холла. Ну и бонусом я получаю угол поворота ротора, что бывает крайне полезно.

Подводим итог

Я провёл детство в обнимку с этой книжкой, но раскурить принципы работы бесколлекторников довелось только сейчас.

Датчик холла мотор aam

Оказывается, что шаговые моторы и вот такое коптерные моторчики — это (концептуально) одно и то же. Разница лишь в количестве фаз: шаговики (обычно, бывают исключения) управляются двумя фазами, сдвинутыми на 90°, а бесколлекторники (опять же, обычно) тремя фазами, сдвинутыми на 120°.

Разумеется, есть и другие, чисто практические отличия: шаговики рассчитаны на увеличение удерживающего момента и повторяемость шагов, в то время как коптерные движки на скорость и плавность вращения, что сказывается на количестве обмоток, подшипниках и т.п. Но в итоге обычный бесколлекторник можно использовать в шаговом режиме, а шаговик в постоянном вращении, управление у них будет одинаковым.

Update: красивая анимация от Arastas:

На Токе заряженный портал

Датчики Холла: причины выхода из строя, диагностика, замена, видео Электровелосипеды — На токе

Датчики Холла: причины выхода из строя, диагностика, замена, видео

Датчик холла мотор aam

В этой теме я хочу рассказать вам о датчиках Холла устанавливаемых на индивидуальный электротранспорт. Поговорим о проблемах с ними и способах их решения.

Датчики Холла – это маленькие электронные устройства, реагирующие на магнитное поле. Именно по ним синхронный двигатель узнает, в каком положении в данный момент времени пребывает ротор, и подает напряжение на определенные фазы. Вот зачем нужны датчики Холла в мотор-колесе – они отвечают за правильное чередование фаз и обеспечивают вращение мотора.

  • Кратко о Датчиках Холла (ДХ) на велогибридах.
  • Причины сбоя ДХ.
  • Проверка исправности ДХ акселератора.
  • Проверка ДХ мотор-колеса.
  • Замена ДХ мотор-колеса.
  • Видео (работа МК с неисправным датчиком Холла, диагностика, замена ДХ).

Кратко о Датчиках Холла (ДХ) на велогибридах

Датчик холла мотор aam

Что касается электровелосипедов, то в их ручках управления скоростью стоят ДХ с маркировкой SS49E (купить), а для мотор-колёс, предназначены изделия с обозначением SS41 (купить можно здесь, кстати аналог — А3144 продается тут). Эти датчики принимают питание в весьма широком диапазоне напряжений. Для первого — это 2,7-6,5 V, для второго — 4,5-24 V.

Основными достоинствами ДХ являются быстрая работа и отсутствие подвижных механических компонентов. Также, эти устройства могут похвастать высокой надёжностью и долговечностью. Кроме того, в распоряжении обсуждаемых ДХ имеется защита от неправильного подключения.

Датчик холла мотор aam

Причины сбоя ДХ

Датчик холла мотор aam

Датчик положения могут подпортить такие факторы:

  • серьёзный перегрев силового агрегата (температура должна перевалить за 150-180 градусов);
  • скачки напряжения;
  • проникновение влаги в корпус электромотора либо ручки акселератора;
  • механические повреждения.

Явный признак неисправности ДХ — подёргивание мотор-колеса при старте в момент воздействия на акселератор. Чтобы диагностировать подобный сбой, нам потребуется лишь вольтметр.

Проверка исправности ДХ акселератора

Датчик холла мотор aam

От контроллера, на орган управления скоростью идёт 3 проводка:

  • чёрный — «ноль»;
  • красный — питание 5 V;
  • зелёный — управляющий сигнал, идущий от ручки скорости к контроллеру (напряжение изменяется в диапазоне 0-4,2 V, на этот показатель влияет угол поворота рукояти акселератора).

Чтобы проверить работоспособность ДХ находящихся в ручке управления скоростью, нужно с помощью вольтметра сделать замеры напряжения проводка красного цвета. Подключаем к нему положительную клемму вольтметра, а отрицательную — к чёрному проводу. Если в диагностируемой цепи не наблюдается напряжение 5 Вольт, значит причина сбоев скрывается не в акселераторе. Может быть сломался контроллер, может до него не доходит ток, а может оборвалась проводка, соединяющая контроллер и рукоять газа.

Если же измерительный прибор демонстрирует подачу тока на рукоятку управления скоростью, но при её прокручивании, напряжения на зелёном проводке нет, то причиной сбоев является, как минимум один сломанный ДХ либо подведённые к нему провода. Отработавшие своё компоненты меняем на новые изделия.

Проверка ДХ мотор-колеса

Датчик холла мотор aam

Прежде чем приступать к ремонту МК, нужно воспользовавшись вольтметром или тестером проверить ДХ. Подсоединяем тестер либо подаём напряжение +5 Вольт, крутим ось двигателя и наблюдаем колебания напряжения на сигнальной ноге. (Также можно проверить ДХ, если у мультиметра есть функция проверки сопротивления. На черный провод ДХ ставим красный щуп, а черным щупом снимаем сопротивление у сигнальных проводов ДХ, значение должно быть где-то 640 и одинаково на всех 3-х ДХ. Стоит заметить что датчик в ручке газа так не проверишь).

Если после разборки силового агрегата вы обнаружите, что обмотки погорели, то восстановить движок уже не получится. Если они целы, проверьте проводки, направляющиеся через ось к трём ДХ.

Замена ДХ мотор-колеса

1. Для вскрытия моторизированного колеса, берём в руки стамеску и молоток. Приспосабливаем первую под крышку и слегка постукиваем по ней молотком. Тут крайне важно следить за тем, чтобы инструмент не проскользнул внутрь движка, так как в этом случае стамеской могут быть нанесены серьёзные повреждения обмотке силового агрегата. Если такое произойдёт, то придётся не слабо раскошелиться на перемотку.

Датчик холла мотор aam

Датчик холла мотор aam

При тугом снятии крышки МК либо застревании её на оси, нужно постучать молотком по торцу оси двигателя с той стороны, где застопорилась крышка.

Датчик холла мотор aam

2. Далее выдавливаем ротор из статора. Для воплощения этого в реальность, нужно держа статор, упереть мотор осью о твёрдую поверхность и нажать не жалея сил. Выдавив, удерживая одной рукой статор, второй, забираем ротор. Здесь нужно соблюдать осторожность, так как неодимовые магниты настолько мощны, что могут вернуть статор на его исходное место, придавив попутно вам пальцы.

Датчик холла мотор aam

Датчик холла мотор aam

Датчик холла мотор aam

3. После выдавливания сердцевины, вашему взору предстанут ДХ в статоре. Прогреваем паяльником железо возле неисправного датчика — это делается для обеспечения более лёгкого извлечения детали. Греем минут 5. Затем подковыриваем датчик с помощью канцелярского ножа или тоненькой отвёрточки и выдвигаем его наружу. Далее выпаиваем. Очищаем место посадки от остатков клея. Устанавливая новые детальки, проклейте их лаком для обеспечения надёжной фиксации.

Датчик холла мотор aam

Датчик холла мотор aam

Датчик холла мотор aam

4. Как разберётесь с датчиками Холла, прозвоните МК посредством тестера. Если измерительного прибора под рукой нет, подключите моторизированное колесо и проверьте его работоспособность. Если всё в порядке, осуществляем герметизацию крышки силиконом и закручиваем болты полностью.

Датчик холла мотор aam

Видео (работа МК с неисправным датчиком Холла, диагностика, замена ДХ)

В приведённом видеоматериале наглядно показано, как функционирует МК со сломанным датчиком Холла. Объясняется, как определить ДХ давший сбой и правильно подвергнуть его замене:

Возможно чуть более подробно, видео с канала Кирилла Холодова

Как видим, эти маленькие штучки играют большую роль в адекватном функционировании велогибрида. Продиагностировать их проще простого, да и заменить несложно. Тут главное чтобы при установке, новый датчик, был идентичен предыдущему, иначе могут возникнуть недоразумения.

Ну и конечно, приобрести подобную мелочь можно на том же AliexPress или Яндекс.Маркете.

Источник