Utiliser des capteurs à effet Hall BLDC comme codeurs de position – 1re partie

Les informations suivantes sont destinées à faciliter l'interprétation de la sortie logique des capteurs à effet Hall afin de déterminer la position, la direction et la vitesse. Même si la sortie peut être utilisée pour la commutation de moteurs, cet aspect du fonctionnement des moteurs BLDC n'est pas abordé ici.

Présentation

Certains moteurs CC sans balais (BLDC) sont équipés de trois capteurs à effet Hall internes qui fournissent une rétroaction aux circuits externes pour simplifier le contrôle précis des bobines magnétiques du stator. Certains types de contrôleurs BLDC utilisent la force contre-électromotrice intrinsèque du moteur, laissant les capteurs à effet Hall inutilisés. Dans tous les cas, les capteurs à effet Hall peuvent également être utilisés pour la détection précise de la position.

Le type de moteur utilisé dans les moyens de transport personnels, comme les scooters, les vélos compacts, les hoverboards et les skateboards motorisés, est un exemple populaire de moteur BLDC. Cet exemple utilise un moteur à un arbre de 254 mm de diamètre, que l'on trouve généralement sur les hoverboards gyroscopiques (Figure 1). Il s'agit d'un moteur BLDC à rotor externe à usage intensif, c'est-à-dire que le stator monté sur l'arbre est fixe, tandis que le logement du moteur tourne.

Figure 1

Anatomie BLDC

Le moteur à moyeu BLDC utilisé dans cette expérience est doté de 27 bobines de stator électromagnétiques et de 30 aimants permanents (ou 15 paires de pôles) (Figure 2). De nombreux schémas montrent les capteurs à effet Hall avec les étiquettes U, V et W à équidistance des bobines de stator (120 degrés). Les capteurs sont équidistants, mais la plupart se trouvent d'un côté du stator (Figure 3).

Figure 2

Figure 3

Remarque : les étiquettes des capteurs (U, V, W) sont définies selon le code couleur des fils internes. Pour cette expérience, l'étiquetage des capteurs est arbitraire.

La magie du 3 dans les BLDC

Comme l'indique la Figure 3, les capteurs à effet Hall sont centrés à la surface des bobines. La distance entre le centre de deux capteurs est de trois bobines, ce qui donne 40 degrés d'écart.

2 bobines entières + 2 demi-bobines = 3 bobines d'écart

360 degrés / 27 bobines * 3 bobines d'écart = 40 degrés

Cette configuration génère les mêmes valeurs de sortie que des capteurs placés à une distance physique de 120 degrés. Un tiers des aimants passe par chacun des capteurs pour donner 10 impulsions par capteur. Au total, les capteurs génèrent 30 impulsions par 120 degrés, soit 90 impulsions en un tour complet.

9/27 (bobines) = 10/30 (aimants) = 120/360 (degrés) = 30/90 (impulsions) = 1/3 (d'un tour). Et voilà !

Figure 4

Remarque : les impulsions constituent une transition de sortie de l'état haut à l'état bas, et vice versa. Même si ensemble, les capteurs génèrent 90 impulsions par tour, un total de 15 impulsions hautes et 15 impulsions basses (15 paires de pôles) par capteur résulte en 6 combinaisons binaires uniques (90 impulsions/15 paires = 6). Reportez-vous à la Figure 4 pour mieux comprendre.

Les valeurs des capteurs sont déterminées immédiatement après la transition de l'état haut à l'état bas ou inversement. Dans un cycle de détection, chaque capteur présente une transition haute et une transition basse, résultant en six transitions totales et six combinaisons binaires. En raison du décalage causé par l'espacement des 27 bobines sur les 30 aimants, les sorties des capteurs ne peuvent jamais être toutes simultanément à l'état haut (111) ou à l'état bas (000).

Résumé

Indépendamment de l'onde carrée de sortie d'un capteur qui est analysée après une transition, l'un des deux capteurs restants est en avance par rapport à l'autre (l'un est à l'état haut et l'autre à l'état bas). C'est pour cela que la disposition des sorties de capteurs utilisée n'a pas d'importance lors de la mesure des valeurs. Le seul facteur à prendre en compte est le sens de rotation.

L'illustration animée (Figure 5) montre la sortie des capteurs à chaque transition et la relation entre les dix aimants permanents et les trois bobines à capteurs. Les bobines intermédiaires sans capteurs ne sont pas représentées, pour une plus grande clarté visuelle.

Figure 5

Ressources supplémentaires :

Utiliser des capteurs à effet Hall BLDC comme codeurs de position

2e partie – Utiliser un analyseur Analog Discovery 2 de Digilent pour visualiser une sortie de capteur à effet Hall BLDC

3e partie – Utiliser un microcontrôleur Teensy 3.5 pour calculer la position, la direction et la distance