como funciona o sensor de efeito Hall no motor bldc: aplicações práticas, seleção

Se você já abriu um motor DC sem escova (BLDC) ou estudou sua eletrônica de acionamento, provavelmente notou três pequenos sensores de efeito Hall próximos ao rotor. Eles são fáceis de ignorar, mas estão entre os componentes mais importantes no controle motor. Neste guia, explicamos como funciona um sensor de efeito Hall em um motor BLDC, por que o motor precisa dele e o que acontece quando o sinal do sensor chega ao controlador.

Na Hongyang Motor, passamos mais de três décadas produzindo motores CC sem escova e outras soluções de micro motores. O sensor Hall pode ser uma peça minúscula, mas sua influência na eficiência e no bom funcionamento é significativa.

O que é um sensor de efeito Hall?

O efeito Hall é um fenômeno físico descoberto em 1879. Quando uma corrente flui através de um condutor fino ou semicondutor e um campo magnético é aplicado em ângulo reto com a corrente, as cargas em movimento são desviadas. Isso cria uma pequena tensão no material, perpendicular à corrente e ao campo magnético. Um sensor de efeito Hall é simplesmente um dispositivo que mede essa tensão e a converte em um sinal lógico.

Em um motor BLDC, o sensor é colocado próximo ao rotor. À medida que os ímãs permanentes no rotor passam pelo sensor, o campo magnético variável alterna a saída do sensor. O controlador pode então dizer se um pólo norte ou um pólo sul está próximo.

Por que um motor BLDC precisa de detecção de posição do rotor

Ao contrário de um motor escovado com comutador mecânico, um motor BLDC depende de comutação eletrônica. Os enrolamentos do estator devem ser energizados em uma sequência precisa, e o tempo dessa sequência depende da posição do rotor. Se o controlador energizar o enrolamento errado, o motor não gerará torque útil. Em vez disso, ele pode travar, vibrar ou superaquecer.

Os sensores Hall resolvem esse problema fornecendo ao controlador feedback em tempo real sobre a localização do rotor. Três sensores são suficientes para definir seis estados de comutação, o que corresponde ao padrão de comutação padrão de seis etapas usado na maioria dos motores BLDC trifásicos.

Como os sensores Hall são organizados e como funcionam juntos

Em um motor BLDC trifásico típico, três sensores Hall estão espaçados de 60 graus elétricos entre si. Alguns designs usam espaçamento de 120 graus, mas o conceito permanece o mesmo. Os sensores são geralmente montados em uma pequena placa de sensor na extremidade do motor, atrás do anel magnético do rotor. Cada sensor lê o campo magnético como alto ou baixo, dependendo se o pólo voltado para ele é norte ou sul.

Os três sinais juntos formam um código de 3 bits. Como cada ciclo elétrico possui seis segmentos de 60 graus, apenas seis dos oito estados possíveis são usados. A tabela abaixo mostra um mapeamento comum; o padrão exato pode mudar com o posicionamento do sensor e a configuração do enrolamento do motor.

Assim que o controlador percebe uma mudança no estado, ele sabe que o rotor se moveu 60 graus elétricos. Em seguida, ele muda os transistores do inversor para a próxima etapa, mantendo o campo do estator à frente do rotor. É por isso que o arranjo às vezes é chamado de comutação de seis etapas ou trapezoidal.

Passo a passo: como o sensor Hall controla o motor

1. Os pólos magnéticos do rotor passam na frente dos três sensores Hall.
2. Cada sensor emite um sinal alto ou baixo dependendo da polaridade abaixo dele.
3. As três saídas se combinam em um estado de 3 bits.
4. O controlador procura este estado em sua tabela de comutação.
5. Ele comuta o inversor trifásico para energizar o par correto de enrolamentos do estator.
6. O campo do estator avança, puxando o rotor para a próxima posição.
7. O processo se repete, criando uma rotação contínua.

O sinal Hall deve ser limpo e cronometrado corretamente. Mesmo um pequeno deslocamento na posição do sensor pode fazer com que o controlador mude mais cedo ou mais tarde, o que diminui a eficiência e aumenta o ruído.

Sensores Hall versus controle sem sensor: o que escolher

O controle BLDC sem sensor estima a posição do rotor a partir da força eletromotriz traseira gerada no enrolamento não energizado. Elimina sensores Hall, o que reduz custos e simplifica a montagem. No entanto, o back-EMF não está disponível quando o motor está parado, portanto a partida sem sensor geralmente é mais complicada e menos robusta sob carga pesada.

• Sensores Hall: posição precisa em velocidade zero, inicialização mais suave, ajuste mais simples.
• Sem sensor: menos componentes, menor custo, bom para ambientes limpos e de alta velocidade.

Aplicativos como robôs industriais , equipamentos médicos e drones geralmente favorecem projetos de sensores Hall porque precisam de torque previsível desde a paralisação. Ventiladores e bombas, por outro lado, podem funcionar sem sensores para reduzir o custo do sistema.

O que aprendemos na fabricação de motores BLDC com sensor Hall

Em mais de 30 anos fabricando micromotores, descobrimos que o posicionamento do sensor Hall é uma das etapas mais sensíveis aos detalhes na produção. Os sensores devem estar alinhados de forma consistente com as ranhuras do estator e os ímãs do rotor. O desvio do sensor, a qualidade da solda e até mesmo a espessura do adesivo podem afetar o tempo. Um bom projeto e controle de processo fazem a diferença entre um motor silencioso e eficiente e um que zumbe ou perde torque.

A propulsão de drones é um bom exemplo. Um motor drone precisa de resposta instantânea quando o piloto muda de aceleração e deve dar partida sem hesitação. É por isso que projetamos nosso motor DC sem escovas para drones com sensores Hall bem posicionados e uma placa de driver correspondente. Se você estiver selecionando um motor BLDC para um produto compacto e de alto desempenho, o esquema do sensor Hall deve fazer parte da sua avaliação, e não uma reflexão tardia.

Considerações finais

Os sensores de efeito Hall são a ponte prática entre a posição física do rotor e o controlador eletrônico em um motor BLDC. Eles tornam a comutação de seis etapas confiável, especialmente em baixa velocidade e sob carga. Esteja você projetando um motor para um drone, um robô ou um aparelho inteligente, entender como esses sensores funcionam ajuda a avaliar o projeto de um motor com mais cuidado e a fazer as perguntas certas antes de escolher um fornecedor.