Датчики Холла в электродвигателях KUBO

Введение

Для ряда приложений, не требующих высокой точности позиционирования, таких как маршевые приводы мобильных роботов, вентиляторы, помпы и т. п., может быть рекомендовано управление синхронными электродвигателями с постоянными магнитами при помощи датчиков положения ротора на эффекте Холла.

Задача датчиков Холла состоит в определении направления вектора магнитного потока ротора для того, чтобы система управления электродвигателем (сервоусилитель, преобразователь частоты) могла правильно сориентировать вектор тока статора. Такое управление иногда называется блочной или секторной коммутацией.

 

Алгоритм коммутации

Для неявнополюсных (индуктивности по продольной и поперечной осям в координатах d-q равны, L_d = L_q) электрических машин, имеющих синусоидальную противо-ЭДС, задача векторного управления состоит том, чтобы сформировать такой вектор напряжения статора, который создаст вектор тока I_s, направленный ортогонально по отношению к вектору магнитного потока ротора. Тогда электромагнитный момент T электродвигателя может быть определен по формуле:

 T = C_mФ_mI_ssin(α)

где

 C_m – конструктивная постоянная электрической машины;

 Ф_m – поток намагничивания ротора;

 α – угол между векторами тока статора I_s и потока ротора Ф_m.

Таким образом, максимальный электромагнитный момент достигается при угле между векторами потока ротора и тока статора равным α = 90 электрических градусов.

Блочная коммутация является первым приближением к векторному управлению. При блочной коммутации система управления прикладывает напряжение всегда только к двум последовательно включенным фазам трехфазной обмотки таким образом, чтобы угол между векторами потока ротора и тока статора был максимально приближен к 90 электрических градусов.

В состав системы управления входит силовой мост, питающий фазы и состоящий из трех полумостов с шунтами в истоках нижних транзисторов, показанный на рисунке 1. В своих сервоусилителях KUBO использует коммутацию силовых транзисторов, при которой транзисторы каждого полумоста переключаются комплементарно. При этом система управления способна полностью выключить оба транзистора силового моста, обесточив тем самым соответствующую фазу.

Рисунок 1 – Трехфазный мост

Трехфазный мост, работающий в режиме блочной коммутации, может сформировать на своем выходе шесть возможных состояний, соответствующих шести возможным направлениям вектора напряжения статора.

Как следует из рисунка 2, три дискретных датчика Холла, сдвинутые друг относительно друга на 120 электрических градусов, позволяют определить направление вектора магнитного потока ротора в одном из шести секторов, т. е. определить положение вектора намагничивания с точностью ±30 электрических градусов. При этом очевидно, что три датчика Холла образуют абсолютный датчик угла поворота ротора в пределах одного электрического оборота электродвигателя.

Рисунок 2 – Положения вектора напряжения статора

Суть алгоритма блочной коммутации состоит в том, что система управления переключает запитываемые фазы в зависимости от состояния датчиков Холла. Следующие два рисунка показывают процесс коммутации при вращении ротора против часовой стрелки. Положение ротора на рисунке 3 соответствует состоянию датчиков Холла UVW [110].

 

Рисунок 3 – Положение вектора напряжения

В первый момент времени фаза U подключена к положительному напряжению шины питания +27 В верхним транзистором полумоста фазы U, фаза W соединена с общей шиной нижним транзистором полумоста, а фаза V обесточена. Как только ротор достигает определенного положения, показанного на рисунке 4, состояние датчиков Холла меняет свое значение с UVW [110] на UVW [100] и в соответствии с таблицей коммутации происходит переключение фаз.

При использовании блочной коммутации нет возможности удерживать угол между потоком ротора и током статора точно 90 электрических градусов, реальный угол колеблется от 60 до 120 электрических градусов, что дает пульсацию электромагнитного момента T_п = 1–√3/2 = 0,134, т.е. 13,4%.

Коммутация повторяется каждые 60 электрических градусов. Своевременная обработка события коммутации критична для минимизации пульсаций момента и скорости.

 

Рисунок 4 – Направление вектора напряжения после коммутации

Зависимости питаемых фаз электродвигателя от состояния датчиков Холла приведены для вращения по часовой стрелке в таблице 1, для вращения против часовой стрелки – в таблице 2.

Таблица 1 – Коммутация фаз при движении по часовой стрелке

Холл U	Холл V	Холл W	Фаза U	Фаза V	Фаза W
1	0	0	Общий	+27 В	–
1	0	1	–	+27 В	Общий
0	0	1	+27 В	–	Общий
0	1	1	+27 В	Общий	–
0	1	0	–	Общий	+27 В
1	1	0	Общий	–	+27 В

 

Таблица 2 – Коммутация фаз при движении против часовой стрелки

Холл U	Холл V	Холл W	Фаза U	Фаза V	Фаза W
1	0	0	–	Общий	+27 В
1	1	0	+27 В	Общий	–
0	1	0	+27 В	–	Общий
0	1	1	–	+27 В	Общий
0	0	1	Общий	+27 В	–
1	0	1	Общий	–	+27 В

 

Стабилизация тока фаз

Электромагнитный момент электрической машины определяется током фаз, создающим магнитный поток статора. Для стабилизации тока двух запитанных фаз используется алгоритм поочередного управления транзисторами, который часто применяется для управления двигателями постоянного тока.

При алгоритме поочередного управления один полумост постоянно соединяет подключенную к нему фазу с землей, второй полумост переключается в режиме ШИМ.

Пусть в некоторый момент времени необходимо стабилизировать ток, протекающий от фазы U к фазе V в направлении, соответствующем рисунку 4.

В момент нарастания тока, как показано на рисунке 5, диагональные транзисторы VT1 и VT4 открыты, и идет нарастание тока, путь которого показан синим цветом.

После окончания цикла нарастания тока транзистор VT1 выключается, VT2 включается, а транзистор VT4 по-прежнему остается включенным. Таким образом, последовательно подключенные фазы U и V оказываются соединены накоротко нижними транзисторами полумостов и электродвигатель переходит в режим динамического торможения. При этом ток протекает по замкнутому контору (“консервируется”), образованному фазами U и V, транзистором VT4, шунтами R1 и R2, а также транзистором VT2. В этот момент падения напряжений на шунтах R1 и R2 равны по модулю, но противоположны по знаку, поэтому измерять напряжения на шунтах R1 и R2 целесообразно в середине интервала открытия нижних транзисторов VT2 и VT4 полумостов, а затем усреднять их.

Рисунок 5 – Протекание тока фаз U и V в режиме нарастания (синим цветом) и в режиме паузы (красным цветом)

 

Требования к микроконтроллеру

Описанный алгоритм коммутации транзисторов и стабилизации тока требует наличия у управляющего микроконтроллера специальной периферии, обеспечивающей следующие функции:

– Возможность одновременного отключения верхнего и нижнего транзисторов любого полумоста. Вместо этого также могут использоваться микросхемы драйверов полумостов со входом выключения («inhibit»).

– Выходы датчиков Холла должны быть подключены к выводам микроконтроллера, которые способны вызывать прерывание по фронту.

– ШИМ должен работать в симметричном режиме («center-aligned») с ограничением токов перекрытия («deadtime») транзисторов полумостов.

– АЦП должно быть синхронизировано с ШИМ и измерять сигналы с шунтов в середине интервала открытия нижних транзисторов полумостов.

Периферийные блоки, поддерживающие все эти функции, есть как у отечественных микроконтроллеров ф. Миландр и ф.НИИЭТ, так и у микроконтроллеров иностранных производителей.

 

Датчики Холла в электродвигателях KUBO

Все электродвигатели KUBO могут быть поставлены в комплектации со встроенными дискретными датчиками Холла.

В качестве датчиков Холла KUBO использует микросхемы магнитоуправляемого магнитным полем логического элемента 1293ХК011 АЕЯР.431160.993 ТУ производства АО «Группа Кремний Эл», импортные микросхемы TLE4945L (ф. Infineon), SS411 (ф. Honeywell), MS40S (ф. Ruimeng Technology) или их аналоги.

Датчики Холла устанавливаются и фиксируются клеем на печатной плате, входящей в конструкцию всех серийных и большинства заказных электродвигателей KUBO, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – Вид датчиков Холла, установленных на плате электродвигателя

 

На рисунке 7 представлена схема включения микросхемы датчика Холла, обычно применяемая в электродвигателях KUBO. Для обработки сигналов датчиков Холла на стороне микроконтроллера рекомендуется устанавливать триггеры Шмитта, например, ЭКФ1533ТЛ2, SN74HCT14D или их аналоги.

Рисунок 7 – Схема включения датчика Холла в электродвигателях KUBO

Все электродвигатели KUBO в комплектации с датчиками Холла поставляются отъюстированными по нулю линейной противо-ЭДС, как показано на осциллограмме на рисунке 8.

Рисунок 8 – Осциллограмма переключения датчика Холла и напряжение соответствующей линейной противо-ЭДС

Более подробно согласование датчиков Холла и линейных противо-ЭДС показано на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – Согласование датчиков Холла в электродвигателях KUBO

 

Выводы

Использование датчиков Холла является простым и эффективным способом управления бескорпусными синхронными электродвигателями с постоянными магнитами KUBO в задачах, не требующих высокой точности позиционирования.

Управление по датчикам Холла может быть реализовано на современной компонентной базе как отечественного, так и иностранного производства.