Hallovy senzory v elektromotorech KUBO
Pro řadu aplikací, které nevyžadují vysokou přesnost polohování, jako jsou například pochodové pohony mobilních robotů, ventilátorů, čerpadel atd., lze doporučit řízení synchronních elektromotorů s permanentními magnety pomocí Hallových senzorů polohy rotoru.
Úkolem Hallových senzorů je určit směr vektoru magnetického toku rotoru tak, aby řídicí systém elektromotoru (servozesilovač, frekvenční měnič) mohl správně orientovat vektor statorového proudu. Takové řízení se někdy nazývá bloková nebo sektorová komutace.
Přepínací algoritmus
Pro nevýznamné póly (indukčnosti podél podélné a příčné osy v souřadnicích dq jsou stejné, Ld =Lq) elektrických strojů se sinusovým zpětným elektromotorickým napětím je úkolem vektorového řízení vytvořit takový vektor statorového napětí, který vytvoří vektor proudu Is, směrovaný ortogonálně vzhledem k vektoru magnetického toku rotoru. Pak lze elektromagnetický moment T elektromotoru určit podle vzorce:
Cm – konstrukční konstanta elektrického stroje;
Ф m – magnetizační tok rotoru;
α – úhel mezi vektory statorového proudu Is a tok rotoru Фm.
Maximálního elektromagnetického momentu je tedy dosaženo při úhlu mezi vektory toku rotoru a proudu statoru rovném α = 90 elektrických stupňů.
Bloková komutace je první aproximací vektorového řízení. Při blokové komutaci řídicí systém vždy přivádí napětí pouze na dvě sériově zapojené fáze třífázového vinutí tak, aby úhel mezi vektory proudu rotoru a statoru byl co nejblíže 90 elektrickým stupňům.
Řídicí systém obsahuje výkonový můstek, který napájí fáze a skládá se ze tří polomůstků s bočníky ve zdrojích nižších tranzistorů, jak je znázorněno na obrázku 1. Ve svých servozesilovačích používá KUBO spínání výkonových tranzistorů, při kterém se tranzistory každého polomůstku spínají komplementárně. V tomto případě je řídicí systém schopen zcela vypnout oba tranzistory výkonového můstku, čímž odpojí napájení odpovídající fáze.
Obrázek 1 – Třífázový můstek
Třífázový můstek pracující v režimu blokového přepínání může na svém výstupu generovat šest možných stavů, odpovídajících šesti možným směrům vektoru statorového napětí.
Jak vyplývá z obrázku 2, tři diskrétní Hallovy senzory, posunuté vůči sobě o 120 elektrických stupňů, umožňují určit směr vektoru magnetického toku rotoru v jednom ze šesti sektorů, tj. určit polohu vektoru magnetizace s přesností ±30 elektrických stupňů. Je zřejmé, že tři Hallovy senzory tvoří absolutní senzor úhlu natočení rotoru v rámci jedné elektrické otáčky elektromotoru.
Obrázek 2 – Polohy vektoru statorového napětí
Podstata algoritmu blokového přepínání spočívá v tom, že řídicí systém přepíná napájené fáze v závislosti na stavu Hallových senzorů. Následující dva obrázky znázorňují proces přepínání s rotorem otáčejícím se proti směru hodinových ručiček. Poloha rotoru na obrázku 3 odpovídá stavu Hallových senzorů UVW [110].
Obrázek 3 – Poloha vektoru napětí
V prvním okamžiku je fáze U připojena ke kladnému napětí napájecí sběrnice +27 V horním tranzistorem polomůstku fáze U, fáze W je připojena ke společné sběrnici spodním tranzistorem polomůstku a fáze V je odpojena od napájení. Jakmile rotor dosáhne určité polohy, znázorněné na obrázku 4, stav Hallových senzorů změní svou hodnotu z UVW [110] na UVW [100] a fáze se přepnou podle spínací tabulky.
Při použití blokové komutace není možné udržet úhel mezi tokem rotoru a proudem statoru přesně 90 elektrických stupňů, skutečný úhel kolísá mezi 60 a 120 elektrickými stupni, což způsobuje pulzaci elektromagnetického momentu T.п = 1–√3/2 = 0,134, tj. 13,4 %.
Komutace se opakuje každých 60 elektrických stupňů. Včasné zpracování komutační události je zásadní pro minimalizaci zvlnění točivého momentu a otáček.
Obrázek 4 – Směr vektoru napětí po přepnutí
Závislosti napájených fází elektromotoru na stavu Hallových senzorů jsou uvedeny pro otáčení ve směru hodinových ručiček v tabulce 1, pro otáčení proti směru hodinových ručiček v tabulce 2.
Tabulka 1 – Spínání fází ve směru hodinových ručiček
Hala U
Hala V.
Hala W.
Fáze U
Fáze V