ホール効果センサーは bldc モーターでどのように機能しますか: 実用的なアプリケーション、選択

ブラシレス DC (BLDC) モーターを開けたり、その駆動電子機器を研究したことがある方は、おそらくローターの近くに 3 つの小さなホール効果センサーが設置されていることに気づいたことがあるでしょう。これらは見落とされがちですが、モーター制御において最も重要なコンポーネントの 1 つです。このガイドでは、ホール効果センサーが BLDC モーターでどのように機能するか、モーターにホール効果センサーが必要な理由、センサー信号がコントローラーに到達すると何が起こるかについて説明します。

宏陽自動車では、30 年以上にわたり、 ブラシレスDCモーター およびその他のマイクロモーターソリューション。ホール センサーは小さな部品かもしれませんが、効率とスムーズな動作に与える影響は大きくなります。

ホール効果センサーとは何ですか?

ホール効果は 1879 年に発見された物理現象です。薄い導体または半導体に電流が流れ、電流に対して直角に磁場が印加されると、移動する電荷が偏向されます。これにより、材料全体に電流と磁場の両方に垂直な小さな電圧が発生します。ホール効果センサーは、この電圧を測定し、それを論理信号に変換する単純なデバイスです。

BLDC モーターでは、センサーはローターの近くに配置されます。ローター上の永久磁石がセンサーを通過すると、変化する磁界によってセンサーの出力が切り替わります。これにより、コントローラーは近くに北極があるのか​​南極があるのか​​を知ることができます。

BLDC モーターにローター位置検出が必要な理由

機械的な整流子を備えたブラシ付きモーターとは異なり、BLDC モーターは電子的な整流に依存しています。ステータ巻線は正確なシーケンスで通電する必要があり、そのシーケンスのタイミングはロータの位置によって異なります。コントローラーが間違った巻線に通電すると、モーターは有効なトルクを生成できなくなります。代わりに、停止したり、振動したり、過熱したりする可能性があります。

ホール センサーは、ローターの位置に関するリアルタイムのフィードバックをコントローラーに提供することで、この問題を解決します。 6 つの整流状態を定義するには、3 つのセンサーで十分です。これは、ほとんどの三相 BLDC モーターで使用される標準の 6 ステップの整流パターンに対応します。

ホールセンサーの配置と連携方法

一般的な三相 BLDC モーターでは、3 つのホール センサーが電気角 60 度の間隔で配置されています。一部のデザインでは 120 度の間隔が使用されていますが、コンセプトは同じです。センサーは通常、モーターの端、ローターのマグネット リングの後ろにある小さなセンサー ボードに取り付けられます。各センサーは、それに面している極が北か南かに応じて、磁場を高または低として読み取ります。

3 つの信号は一緒になって 3 ビット コードを形成します。各電気サイクルには 60 度のセグメントが 6 つあるため、8 つの可能な状態のうち 6 つだけが使用されます。以下の表は、1 つの一般的なマッピングを示しています。正確なパターンは、センサーの配置とモーターの巻線構成によって変化する可能性があります。

コントローラーが状態の変化を認識すると、ローターが電気角で 60 度動いたことを認識します。次に、インバータ トランジスタを次のステップに切り替えて、ステータ磁界をロータより先に維持します。これが、この配置が 6 ステップまたは台形整流と呼ばれることがある理由です。

ステップバイステップ: ホールセンサーがモーターを制御する方法

1. ローターの磁極は 3 つのホール センサーの前を通過します。
2. 各センサーは、その極性に応じて High または Low 信号を出力します。
3. 3 つの出力は 3 ビット状態に結合されます。
4. コントローラは、その通信テーブルでこの状態を検索します。
5. 三相インバーターを切り替えて、正しい固定子巻線のペアに通電します。
6. ステーター磁界が前進し、ローターを次の位置に引っ張ります。
7. このプロセスが繰り返され、継続的な回転が行われます。

ホール信号はクリーンで、正確なタイミングでなければなりません。センサー位置の小さなオフセットでも、コントローラーの切り替えが早くなったり遅くなったりする可能性があり、効率が低下し、ノイズが増加します。

ホールセンサーとセンサーレス制御: 何を選択するか

センサーレス BLDC 制御は、電力が供給されていない巻線で発生する逆起電力からローターの位置を推定します。ホールセンサーが不要になるため、コストが削減され、組み立てが簡素化されます。ただし、モーターが停止しているときは逆起電力が利用できないため、センサーレスでの起動は通常より困難で、高負荷時には堅牢性が低くなります。

• ホールセンサー: ゼロ速度での正確な位置、よりスムーズな起動、より簡単なチューニング。
• センサーレス: コンポーネントが少なく、コストが低く、高速でクリーンな環境に適しています。

などのアプリケーション 産業用ロボット 、医療機器、ドローンでは、停止状態からの予測可能なトルクが必要なため、ホール センサー設計が好まれることがよくあります。一方、ファンとポンプはシステムコストを削減するためにセンサーレスで動作する場合があります。

ホールセンサー BLDC モーターの製造で学んだこと

30 年以上マイクロ モーターを製造してきた中で、ホール センサーの配置は製造において最も細部に注意が必要なステップの 1 つであることがわかりました。センサーは、ステーター スロットおよびローター マグネットと一貫して位置合わせする必要があります。センサーのドリフト、はんだの品質、さらには接着剤の厚ささえもタイミングに影響を与える可能性があります。優れた設計とプロセス制御により、静かで効率的なモーターと、ハム音やトルク損失が発生するモーターとの間に違いが生じます。

ドローンの推進が良い例です。ドローンのモーターは、パイロットがスロットルを変更したときに即座に応答する必要があり、ためらうことなく始動する必要があります。そのため、当社は適切な位置にホール センサーを配置し、適切なドライバー ボードを備えたドローン用ブラシレス DC モーターを設計しています。コンパクトで高性能な製品用に BLDC モーターを選択する場合は、ホール センサー方式を後付けでなく、評価の一部として含める必要があります。

最後に

ホール効果センサーは、BLDC モーターの物理的なローター位置と電子コントローラーの間の実用的なブリッジです。これらにより、特に低速および負荷下での 6 ステップ整流の信頼性が高まります。ドローン、ロボット、スマート家電のいずれのモーターを設計している場合でも、これらのセンサーがどのように機能するかを理解すると、モーターの設計をより慎重に評価し、サプライヤーを選択する前に適切な質問をすることができます。