Sensor BLDC Hall: cómo funciona, tipos y guía de solución de problemas

¿Qué es un sensor Hall en un motor BLDC?

Retire la tapa del extremo de la mayoría de los motores de CC sin escobillas y encontrará tres pequeños componentes agrupados cerca de los devanados, cada uno apenas más grande que un grano de arroz. Esos son los sensores Hall, y sin ellos (o un sustituto como la detección de campos electromagnéticos traseros) el motor no tiene forma de saber en qué dirección empujar.

Un sensor Hall detecta campos magnéticos mediante el efecto Hall: cuando un campo magnético pasa perpendicularmente a un elemento portador de corriente, empuja a los portadores de carga hacia un lado, generando una tensión medible. En un motor BLDC, tres de estos sensores se ubican en el estator cerca del extremo no motriz, colocados de manera que los imanes permanentes del rotor los pasen a medida que gira el eje. Cada sensor cambia alto o bajo dependiendo de si hay un polo norte o sur cerca, y la combinación de las tres señales le dice al controlador exactamente dónde se encuentra el rotor en cualquier instante, incluso cuando el motor no se está moviendo.

Cómo los sensores Hall impulsan la conmutación

Un motor BLDC trifásico necesita que la corriente del devanado se cambie en la secuencia correcta para mantener el rotor girando, un proceso llamado conmutación. Los sensores Hall hacen esto posible al brindarle al controlador una lectura directa de la posición del rotor, en lugar de obligarlo a inferir la posición indirectamente.

Con tres sensores espaciados alrededor del estator, los imanes del rotor producen una de seis posibles combinaciones alto/bajo a medida que pasa por una revolución eléctrica completa. Cada combinación corresponde a un sector específico de 60° y el controlador utiliza una tabla de búsqueda para decidir cuáles de las tres fases deben energizarse para ese sector. A medida que el rotor avanza hacia el siguiente sector, el patrón Hall cambia, el controlador cambia al siguiente par de devanados y el campo magnético giratorio sigue empujando el rotor hacia adelante: seis pasos discretos por ciclo eléctrico, conocidos como conmutación trapezoidal o de seis pasos.

Esta es también la razón por la que los sensores Hall son más importantes cuando están parados y a baja velocidad. Un controlador que depende de back-EMF no tiene nada que leer hasta que el motor ya esté girando lo suficientemente rápido como para generar una señal utilizable; un motor equipado con Hall informa su posición desde el momento en que se aplica energía, razón por la cual los diseños con sensores comienzan limpiamente bajo carga sin conjeturas de circuito abierto.

Tipos de sensores de efecto Hall

No todos los sensores Hall se comportan de la misma manera y la distinción es importante al especificar o solucionar problemas de un motor.

• Sensores unipolares digitales enciéndalo cuando cualquiera de los polos magnéticos pase cerca y apáguelo una vez que el campo desaparezca. Son simples y económicos, pero menos comunes en la conmutación BLDC porque no distinguen la polaridad de los polos con tanta claridad.
• Sensores digitales bipolares (enclavados) se encienden en presencia de un polo y se apagan solo cuando llega el polo opuesto, manteniendo su estado en el medio. Este comportamiento de enganche proporciona transiciones limpias y repetibles y es la opción estándar para la conmutación BLDC.
• Sensores analógicos (lineales) genera un voltaje proporcional a la intensidad del campo en lugar de una simple señal de encendido/apagado. Se utilizan con menos frecuencia para conmutación básica, pero aparecen en aplicaciones que necesitan una resolución de posición más fina mediante interpolación.

Criterios de selección clave

La elección de un sensor Hall (o la evaluación de uno ya integrado en un motor) se reduce a un puñado de parámetros que afectan directamente la precisión de la conmutación y la eficiencia del motor.

En este artículo se encuentra disponible un desglose técnico más profundo de estos parámetros, incluido cómo se leen los valores BOP y BRP de una hoja de datos. Guía de selección de sensores de efecto Hall de Portescap .

Control BLDC con sensor o sin sensor

Los sensores Hall no son la única forma de conmutar un motor BLDC, y la alternativa (control sin sensores basado en EMF inverso) intercambia un conjunto de puntos fuertes por otro.

Los motores con sensor brindan un par de arranque confiable bajo carga, ya que la posición se conoce incluso a cero RPM, y se mantienen bien en aplicaciones con arranques, paradas o cambios de dirección frecuentes. El costo es cableado adicional (generalmente un arnés de cinco cables) y un componente más que puede fallar debido al calor, la vibración o un conector defectuoso. El control sin sensores elimina por completo ese cableado y el punto de falla asociado, pero no puede determinar la posición del rotor hasta que el motor ya esté girando lo suficientemente rápido como para generar contraEMF detectables, lo que significa una rampa de arranque de circuito abierto antes de que el control de circuito cerrado tome el control.

Para los motores que funcionan continuamente a una velocidad de moderada a alta (ventiladores, bombas, propulsión de drones), los diseños sin sensores suelen ser la opción más práctica. Para cualquier cosa que necesite un par confiable desde parado (ascensores de accionamiento directo, posicionamiento estilo servo, motores de cubo de bicicletas eléctricas que se alejan de una parada en una colina), los sensores Hall siguen siendo la apuesta más segura. Esta compensación se explora con más profundidad en esta comparación de Control de motor sin escobillas con sensor de efecto Hall o sin sensores , y esta descripción general de Cómo los controladores de motor BLDC manejan la conmutación de manera más amplia .

Diagnóstico de fallas comunes del sensor Hall

Un motor que se sacude, se detiene al arrancar o funciona en una sola dirección antes de apagarse muestra síntomas clásicos de un problema con el sensor Hall en lugar de una falla en el devanado.

• Señal faltante en un canal: un solo sensor fallido produce una combinación de estados no válidos, que la mayoría de los controladores marcarán como una falla en lugar de intentar conmutar incorrectamente.
• Rotación brusca o entrecortada a baja velocidad: a menudo apunta a un sensor desalineado o uno que se ha salido de su posición angular correcta en relación con los imanes del rotor.
• El motor gira en la dirección equivocada o se para inmediatamente: puede indicar dos cables Hall intercambiados durante una reparación o un sensor conectado a la referencia de fase incorrecta.
• Corte intermitente bajo vibración: una fuerte señal de una unión de soldadura agrietada o de un conector flojo en lugar de un sensor defectuoso en sí.

Un multímetro en los pines de alimentación y tierra de 5 V del sensor confirma que la energía está llegando a la placa del sensor; Al comprobar cada cable de señal contra tierra mientras se gira lentamente el eje con la mano, se deben mostrar transiciones limpias entre alto y bajo a medida que pasa cada polo magnético. Una señal que nunca cambia, o que parpadea erráticamente, apunta a ese sensor específico o su cableado en lugar del controlador.

Cómo combinar la salida del sensor Hall con el controlador de su motor

Un motor equipado con Hall es sólo la mitad de la ecuación: el controlador en el otro extremo de ese arnés de cinco cables tiene que leer los mismos niveles lógicos y esperar la misma disposición de sensores.

Antes de emparejar un motor y un controlador, confirme que el voltaje de suministro Hall coincida con lo que genera el controlador (la lógica de 5 V y 3,3 V no son intercambiables sin un cambiador de nivel) y que la interfaz del sensor de posición del controlador esté configurada para entrada Hall en lugar de señales de codificador o resolución. Los controladores que admiten múltiples métodos de detección ofrecen flexibilidad en este caso; el Controlador de motor BLDC de alta compatibilidad serie R2 , por ejemplo, funciona con motores con y sin sensores de efecto Hall, lo que simplifica el intercambio entre tipos de motores sin cambiar el hardware. Para obtener orientación sobre cómo combinar modelos de controladores específicos con las especificaciones de motores equipados con Hall, este Referencia de emparejamiento de controlador y motor. recorre los parámetros que deben alinearse. el completo Línea de controladores de motor BLDC cubre una gama de clases de voltaje y corriente para motores de diferentes tamaños.