Explicación detallada del papel de los sensores de la sala en motores sin escobillas

Durante la operación del motor de CC sin escobillas, el controlador debe conocer con precisión la posición en tiempo real del rotor para decidir cómo cambiar la dirección actual y conducir el motor para que continúe girando. Esta percepción de la posición del rotor es la premisa de todo el control de conmutación. El sensor Hall es el componente clave para lograr esta función.

 

En comparación con los motores cepillados que dependen de los contactos mecánicos para completar el cambio de fase, los motores sin escobillas dependen completamente del control electrónico. Por lo tanto, la precisión de la detección de posición afecta directamente la startup del motor, la estabilidad operativa y la eficiencia de respuesta. Sin una retroalimentación de posición confiable, el controlador no puede energizar correctamente el devanado del estator, el motor no comenzará correctamente, o vibraciones, baja eficiencia y otros problemas ocurrirán durante la operación.

 

El trabajo del sensor Hall es "observar" los cambios en el campo magnético del rotor en tiempo real, convertirlo en señales digitales y alimentarlo al sistema de control. Estas señales proporcionan al controlador un "reloj" para el cambio de fase, asegurando que cada corriente de fase actúe en el devanado correcto en el momento adecuado para lograr una operación suave y eficiente.

 

Se puede decir que aunque el sensor de efecto Hall es solo un componente auxiliar, su posición en el motor sin escobillas es como "ojos para el cerebro": no conduce ningún componente, pero determina si todo el sistema de control puede "ver la dirección claramente". A continuación, analizaremos más profundamente el principio de funcionamiento del efecto del pasillo y veremos cómo este pequeño sensor admite la base de operaciones de todo el sistema de control.

 

Para comprender mejor cómo funcionan los sensores de la sala, tenemos que comenzar con un fenómeno físico básico: el efecto de la sala.

 

El efecto de la sala se refiere al hecho de que cuando la corriente pasa a través de un conductor o material semiconductor y el material está en un campo magnético vertical, aparecerá un voltaje perpendicular a la corriente y el campo magnético dentro del material. Este voltaje transversal se llama "voltaje de pasillo".

 

Podemos imaginarlo como un proceso como este:

1. Imagine que fluye agua en una tubería (que representa la corriente eléctrica);

2. Si coloca un imán al lado de esta tubería de agua, el flujo de agua se "desviará" a un lado bajo la influencia de la fuerza magnética;

3. Esta desviación causará una diferencia de presión en un lado de la tubería de agua;

4. En los sistemas electrónicos, esta "diferencia de presión" se manifiesta como voltaje.

 

El sensor Hall usa este principio. Contiene un pequeño elemento salón. Cuando está cerca de un campo magnético (como el imán en el rotor del motor), el elemento salón detectará el cambio en el campo magnético y emitirá una señal de voltaje correspondiente. Esta señal se transmite luego al controlador de accionamiento para determinar la posición actual del rotor.

 

Según las diferentes señales de salida, los sensores de hall se pueden dividir en dos categorías:

• Sensor de pasillo analógico: genera un valor de voltaje que cambia continuamente, que puede reflejar con precisión la intensidad del campo magnético y es adecuado para requisitos de alta resolución, como la medición de posición y el análisis del campo magnético.
• Sensor de salón digital: la salida tiene solo dos estados: alto nivel y bajo nivel. Cuando el campo magnético alcanza un cierto umbral, desencadena el cambio. Es adecuado para juzgar el cambio de los postes magnéticos y controlar el cambio de fase en los motores sin escobillas.

En los motores sin escobillas, el más utilizado es el sensor de salón digital, que tiene una estructura simple, respuesta rápida y una fuerte adaptabilidad. Es muy adecuado para la detección en tiempo real de los cambios en el poste del rotor, lo que logra un control de conmutación electrónico preciso.

 

Ahora que entendemos el principio del efecto de la sala, podemos ver cómo se usa el sensor de la sala en motores sin escobillas.

 

1. Coordinación entre el sensor de la sala y el rotor

Dentro de un motor de CC sin escobillas, el rotor suele ser un cilindro con un imán que tiene postes N y S alternos. A medida que el motor gira, los postes magnéticos en el rotor se mueven hacia y lejos de los sensores del salón en el estator.

 

Cada vez que un polo magnético pasa a través del elemento del salón, detecta el cambio en el campo magnético y genera una señal digital alta o baja. Esta señal le dice al controlador: "Ahora es el polo n" o "Ahora es el polo S". De esta manera, el controlador puede determinar a qué posición ha girado el rotor y decidir si cambiar la dirección de corriente para permitir que el motor continúe funcionando sin problemas.

 

2. Arreglo de 120 grados de tres elementos de la sala

Para sentir con precisión la posición del rotor, generalmente se usan tres sensores de pasillo, instalados uniformemente en el estator, con un ángulo eléctrico de 120 grados. ¿Por qué tres? Debido a que el devanado trifásico requiere seis combinaciones de conducción diferentes para lograr una conmutación continua (es decir, control de conmutación de seis pasos).

 

Cada sensor de salón genera un nivel alto o bajo. Cuando los tres sensores se combinan, se forman seis estados diferentes.

A: 1 1 0 0 0 1

B: 0 1 1 1 0 0

C: 0 0 0 1 1 1

Estos seis conjuntos de señales cambian cíclicamente, indicando al conductor que cambie la dirección de corriente en secuencia, lo que lleva al motor a girar continuamente.

 

Aunque el sensor de la sala es de tamaño pequeño, tiene un impacto crucial en el rendimiento del motor sin escobillas. Los métodos de instalación incorrectos o las desviaciones de precisión pueden conducir a errores de conmutación, arranque deficiente e incluso el envejecimiento motor acelerado. En esta sección, introduciremos consideraciones clave en aplicaciones prácticas desde las perspectivas del ángulo de instalación, precisión de alineación, anti-interferencia y deriva de temperatura.

 

1. Introducción al ángulo de instalación

En los motores sin escobillas, el ángulo de instalación del sensor de la sala determina el momento de su inducción de los postes magnéticos del rotor, lo que afecta directamente el ritmo de conmutación y la eficiencia operativa del motor. Los siguientes son varios ángulos de disposición comunes:

 

• Disposición de ángulo eléctrico de 120 grados

Esta es la disposición más común, con tres elementos de la sala distribuidos uniformemente en un ángulo eléctrico de 120 grados. Es adecuado para la mayoría de los motores DC sin escobillas trifásicos y es una combinación natural para la lógica de control de conmutación de seis pasos. Tiene una estructura simétrica y un control simple, y es la configuración estándar para los motores industriales y de consumo.

 

• Disposición de ángulo eléctrico de 60 grados

La disposición de 60 grados también se usa en algunas estructuras motoras específicas. Esta disposición tiene señales más densas y es adecuada para su uso en situaciones que requieren alta frecuencia de respuesta o control fino, pero tiene mayores requisitos en el diseño del conductor y la mala compatibilidad. Al usarlo, debe confirmar que el controlador admite la lógica de conmutación de 60 grados.

 

• Diseño mecánico (físico)

En la instalación real, el sensor del salón se instala de acuerdo con el ángulo físico, como el ángulo mecánico de 120 grados. Sin embargo, dado que hay una relación de conversión entre el ángulo eléctrico y el ángulo mecánico (dependiendo del número de pares de polos), el número de pares de polos del motor debe considerarse durante la instalación para convertir correctamente el ángulo mecánico en ángulo eléctrico. Por ejemplo: en un motor de polo 4-, el ángulo mecánico de 360 ​​grados es equivalente a un ángulo eléctrico de 720 grados.

 

• Matriz múltiple (detección de 360 ​​grados)

Las aplicaciones avanzadas pueden usar múltiples elementos de pasillo en una matriz para lograr un muestreo de campo magnético más denso para servo sistemas sin escobillas o sistemas de posicionamiento de precisión. Este tipo de disposición puede mejorar la resolución angular, pero la estructura es compleja y el costo es alto.

 

Independientemente de qué disposición se elija, es necesario asegurarse de que la señal del salón pueda cubrir completamente un círculo completo del ciclo de movimiento del rotor y coincidir con la secuencia de encendido de los devanados para garantizar un funcionamiento eficiente del motor.

2. Importancia de la precisión de la alineación del efecto del salón

El ángulo de instalación del elemento del salón debe estar estrictamente sincronizado con la lógica de conmutación del devanado. Si la desviación del ángulo de instalación es demasiado grande, hará que la conmutación sea avanzada o retrasada, causando los siguientes problemas:

• El par motor disminuye y la eficiencia se reduce;
• La corriente fluctúa violentamente y el calor aumenta;
• La tartamudez o la inestabilidad ocurre durante el inicio.

Por lo tanto, en la instalación real, generalmente es necesario observar la forma de onda de la señal a través de un accesorio de alineación o osciloscopio de alineación especial y realizar el ajuste de ángulo para que las tres señales de pasillo presenten una diferencia de fase de ángulo eléctrico estándar de 120 grados.

 

3. Problemas contra la deriva anti-interferencia y temperatura

El sensor Hall genera una señal de bajo nivel, que se ve fácilmente afectada por el entorno circundante. En el sistema motor, también se debe tener en cuenta los siguientes puntos para mejorar la confiabilidad:

• Blindaje de EMI: la línea eléctrica y la línea del salón deben conectarse por separado, utilizando cables blindados y conectados a tierra;
• Filtrado y almacenamiento búfer: se pueden agregar circuitos de filtro o chips anti-interferencia a la línea de señal para reducir la falsa activación;
• Diseño de compensación de temperatura: seleccione elementos de pasillo con coeficiente de deriva de baja temperatura o compensen los cambios de temperatura a través del software para mejorar la estabilidad a altas y bajas temperaturas.

 

A través de la introducción anterior a los sensores de Hall, podemos ver que los sensores de la sala juegan un papel extremadamente crítico en los motores DC sin escobillas. Su precisión y estabilidad afectan directamente la eficiencia de conmutación del motor, la estabilidad de ejecución y el rendimiento general de control. Por lo tanto, es particularmente importante elegir un fabricante de motores sin escobillas con tecnología madura y calidad confiable.

 

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