BLDC 홀 센서: 작동 방식, 유형 및 문제 해결 가이드

BLDC 모터의 홀 센서란 무엇입니까?

대부분의 브러시리스 DC 모터에서 엔드 캡을 당기면 권선 근처에 밀집된 세 개의 작은 구성 요소를 찾을 수 있습니다. 각각은 쌀알보다 약간 큽니다. 이것들은 홀 센서이며, 그것들이 없거나 역기전력 감지와 같은 대체품이 없으면 모터는 어느 방향으로 밀어야 할지 알 수 없습니다.

홀 센서는 홀 효과를 사용하여 자기장을 감지합니다. 자기장이 전류 운반 요소에 수직으로 통과하면 전하 캐리어를 한쪽으로 밀어 측정 가능한 전압을 생성합니다. BLDC 모터에서 이러한 센서 중 3개는 비구동 끝 부분 근처의 고정자에 위치하며, 샤프트가 회전할 때 회전자의 영구 자석이 이를 지나가도록 배치됩니다. 각 센서는 북극 또는 남극이 근처에 있는지에 따라 높거나 낮게 전환되며 세 가지 신호의 조합은 모터가 움직이지 않을 때에도 로터가 어느 순간에 위치하는지 정확하게 컨트롤러에 알려줍니다.

홀 센서가 정류를 구동하는 방법

3상 BLDC 모터는 회전자 회전을 유지하기 위해 올바른 순서로 권선 전류를 전환해야 합니다. 이를 정류라고 하는 프로세스입니다. 홀 센서는 컨트롤러가 간접적으로 위치를 추론하도록 하는 대신 로터 위치를 직접 판독함으로써 이를 가능하게 합니다.

고정자 주위에 3개의 센서가 배치되어 있는 회전자의 자석은 전체 전기 회전을 통과할 때 6개의 가능한 높음/낮음 조합 중 하나를 생성합니다. 각 조합은 특정 60° 섹터에 해당하며 컨트롤러는 조회 테이블을 사용하여 해당 섹터에 대해 3상 중 어느 2상에 전원을 공급해야 하는지 결정합니다. 로터가 다음 섹터로 이동하면 홀 패턴이 변경되고 컨트롤러가 다음 권선 쌍으로 전환되며 회전 자기장이 로터를 계속해서 앞으로 당깁니다. 이는 사다리꼴 정류 또는 6단계 정류라고 알려진 전기 사이클당 6개의 개별 단계입니다.

이는 홀 센서가 정지 상태 및 저속에서 가장 중요한 이유이기도 합니다. 역기전력에 의존하는 컨트롤러는 모터가 이미 사용 가능한 신호를 생성할 만큼 충분히 빠르게 회전할 때까지 읽을 내용이 없습니다. 홀 장착 모터는 전원이 공급되는 순간부터 위치를 보고하므로 개방 루프 추측 없이 부하가 걸린 상태에서 센서 설계가 깔끔하게 시작됩니다.

홀 효과 센서의 유형

모든 홀 센서가 동일한 방식으로 작동하는 것은 아니며 모터를 지정하거나 문제를 해결할 때 구별이 중요합니다.

• 디지털 단극 센서 자극이 근처를 지나갈 때 스위치가 켜지고 자기장이 떨어지면 스위치가 꺼집니다. 간단하고 저렴하지만 극 극성을 명확하게 구분하지 못하기 때문에 BLDC 정류에서는 덜 일반적입니다.
• 디지털 양극(래칭) 센서 한 극이 있을 때 스위치를 켜고 반대쪽 극이 도착할 때만 스위치를 끄며 그 사이의 상태를 유지합니다. 이러한 래칭 동작은 깨끗하고 반복 가능한 전환을 제공하며 BLDC 정류를 위한 표준 선택입니다.
• 아날로그(선형) 센서 단순한 온/오프 신호가 아닌 전계 강도에 비례하는 전압을 출력합니다. 기본 정류에는 자주 사용되지 않지만 보간을 통해 더 미세한 위치 분해능이 필요한 애플리케이션에 나타납니다.

주요 선택 기준

홀 센서를 선택하거나 이미 모터에 내장된 센서를 평가하는 것은 정류 정확도와 모터 효율성에 직접적인 영향을 미치는 몇 가지 매개변수로 귀결됩니다.

데이터시트에서 BOP 및 BRP 값을 읽는 방법을 포함하여 이러한 매개변수에 대한 더 자세한 기술 분석은 여기에서 확인할 수 있습니다. Portescap의 홀 효과 센서 선택 가이드 .

센서형 및 센서리스 BLDC 제어

홀 센서는 BLDC 모터를 정류하는 유일한 방법이 아니며, 대안인 센서리스, 역기전력 기반 제어는 한 가지 강점을 다른 강점으로 교환합니다.

센서 모터는 0RPM에서도 위치를 알 수 있기 때문에 부하 시 안정적인 시동 토크를 제공하며, 시동, 정지 또는 방향 변경이 잦은 응용 분야에서도 잘 유지됩니다. 비용은 추가 배선(일반적으로 5선 하니스)과 열, 진동 또는 잘못된 커넥터로 인해 고장날 수 있는 구성 요소가 하나 더 추가되는 것입니다. 센서리스 제어는 배선 및 관련 오류 지점을 완전히 제거하지만 모터가 이미 감지 가능한 역기전력을 생성할 만큼 빠르게 회전할 때까지 회전자 위치를 결정할 수 없습니다. 이는 폐쇄 루프 제어가 인계되기 전에 개방 루프 시동 램프를 의미합니다.

팬, 펌프, 드론 추진 장치 등 중간에서 고속까지 지속적으로 작동하는 모터의 경우 무센서 설계가 더 실용적인 선택인 경우가 많습니다. 직접 구동 리프트, 서보 스타일 포지셔닝, 언덕 정지에서 멀어지는 전자 자전거 허브 모터 등 정지 상태에서 신뢰할 수 있는 토크가 필요한 모든 경우에는 홀 센서가 더 안전한 선택입니다. 이러한 절충안은 다음 비교에서 더 깊이 탐구됩니다. 센서리스 대 홀 효과 센서 브러시리스 모터 제어 , 그리고 이 개요는 BLDC 모터 컨트롤러가 정류를 보다 광범위하게 처리하는 방법 .

일반적인 홀 센서 오류 진단

갑자기 움직이거나 시동 시 정지하거나 절단되기 전에 한 방향으로만 작동하는 모터는 권선 결함이 아닌 홀 센서 문제의 전형적인 증상을 나타냅니다.

• 한 채널에서 신호 누락: 하나의 실패한 센서는 유효하지 않은 상태 조합을 생성하며, 대부분의 컨트롤러는 잘못된 정류를 시도하기보다는 결함으로 플래그를 지정합니다.
• 저속에서 거칠거나 갑작스러운 회전: 이는 센서가 잘못 정렬되었거나 회전자 자석에 비해 올바른 각도 위치에서 벗어난 센서를 가리키는 경우가 많습니다.
• 모터가 잘못된 방향으로 회전하거나 즉시 멈춥니다. 수리 중에 교체된 두 개의 홀 와이어 또는 잘못된 위상 참조에 연결된 센서를 나타낼 수 있습니다.
• 진동 시 간헐적인 컷아웃: 센서 자체의 결함이라기보다는 납땜 접합부에 금이 갔거나 커넥터가 느슨하게 작동했다는 강력한 신호입니다.

센서의 5V 공급 및 접지 핀에 있는 멀티미터는 전원이 센서 보드에 도달하고 있는지 확인합니다. 손으로 샤프트를 천천히 회전시키면서 각 신호선을 접지에 대해 점검하면 각 자극이 통과할 때 높음과 낮음 사이의 깨끗한 전환이 표시되어야 합니다. 절대 변하지 않거나 불규칙하게 깜박이는 신호는 컨트롤러가 아닌 특정 센서 또는 해당 배선을 가리킵니다.

홀 센서 출력을 모터 컨트롤러에 일치시키기

홀 장착 모터는 방정식의 절반에 불과합니다. 5선 하니스의 반대쪽 끝에 있는 컨트롤러는 동일한 로직 레벨을 읽고 동일한 센서 배열을 예상해야 합니다.

모터와 컨트롤러를 페어링하기 전에 홀 공급 전압이 컨트롤러 출력과 일치하는지 확인하고(5V 및 3.3V 로직은 레벨 시프터 없이 상호 교환할 수 없음) 컨트롤러의 위치 센서 인터페이스가 인코더 또는 리졸버 신호가 아닌 홀 입력에 대해 구성되어 있는지 확인합니다. 다양한 감지 방법을 지원하는 컨트롤러는 여기서 유연성을 제공합니다. 는 R2 시리즈 고호환성 BLDC 모터 컨트롤러 예를 들어, 홀 효과 센서 모터와 센서리스 모터 모두에서 작동하므로 하드웨어를 변경하지 않고도 모터 유형 간 교체가 단순화됩니다. 특정 컨트롤러 모델을 홀 장착 모터 사양과 일치시키는 방법에 대한 지침은 이 문서를 참조하세요. 컨트롤러 및 모터 페어링 참조 정렬해야 하는 매개변수를 안내합니다. 전체 BLDC 모터 컨트롤러 라인업 다양한 크기의 모터에 대한 다양한 전압 및 전류 등급을 다룹니다.