что такое датчики холла в мотор колесе

Зачем нужен датчик Холла в электросамокате

С развитием электроники и мощных емкостных аккумуляторов самокаты и велосипеды стали оснащаться электродвигателями.

За их работу отвечает умная электроника. Статья даст подробное описание, что такое датчик Холла в электровелосипеде и электросамокате. Будет описано назначение этих устройств, принцип работы и способы устранения неисправностей.

Эффект Холла

Прежде чем разобраться, для чего нужны датчики Холла в самокате, необходимо понимать, на каком эффекте основана его работа. Такой эффект был открыт Эдвином Холлом и получил свое название в честь его первооткрывателя. Именно он провел эксперимент с воздействием магнитного поля на электрический проводник. Суть эксперимента в следующем:

Данный опыт показал, что под воздействием магнитного поля формируется слабая, но постоянная разница потенциалов на поверхности проводника.

Современный элемент Холла отлично подходит для контроля положений вращающихся частей электродвигателя. Нашел он свое применение и в конструкции различных электросамокатов и электровелосипедов.

Электросамокат

Помимо электросамоката, принцип Холла используются в двигателе и ручке газа электровелосипеда. Оба этих транспортных средства конструктивно схожи: имеют синхронный трехфазный электродвигатель, блок контроля и ручку газа.

Ручка газа

В ручке газа электросамоката установлен элемент холла модели «SS49Е».

Работает система по следующему принципу:

Датчик Холла в ручке газа достаточно надежен. Он представляет собой биполярный элемент с тремя выходами:

Датчик срабатывает только при воздействии магнитного поля. Проверить его работоспособность можно следующим образом:

Исправный элемент должен сработать при воздействии постоянного магнита и показать на выходе напряжение 5 вольт.

Двигатель

Электромотор электрического самоката также оснащен контроллерами Холла. Они установлены в колесе самоката. Всего их три. Электрические велосипеды и самокаты оснащаются датчиками «SS41» или их точными аналогами.

Работают элементы следующим образом:

Работа и вращение колеса осуществляется по правильной комбинации. Всего их 6. Происходит это так:

Именно за эту последовательность чередований и отвечает каждый датчик Холла, открываясь в момент появления магнитного поля на определенной фазе.

Датчики очень чувствительны к воздействию влаги, нагрузки и повышению температуры. В мотор-колесе, могут выйти из строя сразу все элементы или один из трех. Проверить датчики на работоспособность можно ранее описанным способом.

Дополнительное оборудование

По причине высокой скорости, электрические самокаты и велосипеды оснащаются дополнительным элементом Холла. Этот датчик отвечает за контроль скорости вращения колеса. Работает устройство по принципу считывания количества сигналов, поступающих от колеса самоката. Чем больше таких сигналов, тем выше скорость поступления импульсов от контроллера на колесо. Таким образом сохраняется интенсивность поступления сигналов, сохраняется скорость вращения.

Электрические велосипеды оснащаются дополнительной системой «PAS».

Система позволяет взаимодействовать педалям велосипеда с его электродвигателем. Работает механизм следующим образом:

Такая система способна работать без ручек газа, но является не безопасной. Мотор-колесо без дополнительного контроля может самопроизвольно увеличить скорость.

Характеристики и схемы подключения

Элементы Холла в конструкции электрических самокатов имеют разные характеристики. Из-за этого они не могут быть взаимозаменяемыми. Например, элемент Холла в ручке газа нельзя устанавливать на колесо.

Модель «SS41» имеет следующие характеристики:

Эти элементы стоят непосредственно на статоре двигателя.

Модель «SS49Е» для ручки газа. Характеристики:

Для обоих типов датчиков характерна рабочая температура в пределах 40–110 градусов. При замене неисправных датчиков очень важно обращать внимание, какие элементы используются в качестве аналогов. Они должны полностью совпадать по своим характеристикам с вышедшим из строя элементом.

Заключение

Датчики Холла для электрического транспорта имеют важное значение. Они помогают значительно сократить количество механических деталей и узлов. За счет установки миниатюрных устройств, производители существенно увеличивают рабочие характеристики и постоянную динамику вращения мотор-колеса таких транспортных средств.

Видео по теме

Источник

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.

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:

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

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:

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):

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:

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

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:

C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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.

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:

Источник

Как проверить датчики Холла в мотор-колесе?

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. Эффект Холла используется при создании датчиков положения, устанавливаемых в редукторных и прямоприводных мотор-колесах электровелосипедов и других видов транспорта.

Кроме мотор-колес, такие элементы (но только другого типа) устанавливаются в ручках газа. Они создают управляющий сигнал для контроллера. Принцип их работы заключается в создании в проводнике с током, находящемся в магнитном поле, поперечной разности потенциалов. Внешне такие датчики представляют собой компактные устройства с 3 выводами – аналоговым или цифровым и 2 выводами питания. От индуктивных датчиков они выгодно отличаются пропорциональностью выходного сигнала магнитному полю, а не скорости его изменения.

Причины и диагностика поломки датчиков положения

Причиной поломки датчиков Холла могут стать:

Явным признаком поломки датчиков Холла считается подергивание МК при старте во время поворота ручки газа. Для диагностики такой неисправности достаточно вольтметра. Также для проверки работоспособности мотор-колеса, контроллера или ручки газа удобно воспользоваться диагностирующим тестером. Он позволяет продиагностировать датчики положения и обмотки, выявить имеющиеся дефекты, проверить фазовый угол и корректность переключения фаз.

Мониторинг работы ручки газа

На ручку газа от контроллера идет 3 провода:

Для проверки работоспособности датчиков Холла в ручке акселератора необходимо измерить вольтметром напряжение на красном проводе. К нему нужно подключить «+» клемму прибора, а к черному проводу – минусовую. Если в исследуемой цепи нет напряжения 5 В, причина неполадок кроется не в ручке газа. Возможно, неисправен контроллер, или на него не поступает питание, или произошел обрыв проводки, идущей от контроллера к ручке акселератора.

Если же вольтметр показывает подачу напряжения на ручку акселератора, но при ее плавном повороте напряжение на зеленом проводе отсутствует, причина неполадок кроется в неисправности, как минимум, одного из датчиков Холла или подходящих к нему проводов. Неисправные элементы подлежат замене.

Проверка датчиков Холла в мотор-колесе

Перед ремонтом мотор-колеса нужно при помощи тестера или вольтметра проверить состояние датчиков Холла. Алгоритм действий таков: подключить тестер или подать напряжение +5 В и, вращая ось мотора, понаблюдать за изменением напряжения на сигнальной ноге. Проще поддаются ремонту моторы с винтами в боковой крышке. Если же крышка имеет резьбу, открутить ее сложнее – понадобятся специальные съемники.

Если при разборке мотора окажется, что обмотки потемнели (сгорели), восстановлению он не подлежит. Если же с обмотками все в порядке, обратите внимание на провода, идущие через ось к 3 миниатюрным датчикам. Обычно они посажены на силиконовый клей в нише, совпадающей по форме с геометрий корпуса датчика.

Замена датчиков Холла

Суть ремонта сводится к замене неисправных датчиков и восстановлению провода (при необходимости). Неисправные датчики нужно заменить – извлечь из паза в статоре, удалить остатки электронного устройства и следы клея, зачистить место монтажа и установить новые элементы. Контакты нужно припаять и изолировать. Для фиксации новых датчиков можно воспользоваться эпоксидной смолой или подходящим клеем. После ремонтных работ остается проверить исправность МК.

На видео наглядно демонстрируется, как работает мотор-колесо с неисправным датчиком Холла, поясняется, как выявить нерабочий датчик и правильно заменить его.

Источник

Датчики Холла: принцип работы, типы, применение, как проверить

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения U_холла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение U_ДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

Обратим внимание, что для выявления искрообразования высоковольтный проводок должен находиться рядом с массой.

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

Источник