BLDC ホール センサー: 仕組み、種類、トラブルシューティング ガイド

BLDC モーターのホール センサーとは

ほとんどのブラシレス DC モーターのエンド キャップを外すと、巻線の近くに集まった 3 つの小さなコンポーネントが見つかります。それぞれのサイズは米粒よりもわずかです。これらはホール センサーであり、ホール センサーがなければ、または逆起電力検出などの代替手段がなければ、モーターはどちらの方向に押すかを知る方法がありません。

ホール センサーは、ホール効果を使用して磁場を検出します。磁場が通電素子に垂直に通過すると、電荷キャリアが片側に押し出され、測定可能な電圧が生成されます。 BLDC モーターでは、これらのセンサーのうち 3 つがステーターの非駆動端近くに設置され、シャフトが回転するときにローターの永久磁石がセンサーを通過するように配置されています。各センサーは、N 極または S 極が近くにあるかどうかに応じてハイまたはローに切り替わり、3 つの信号すべての組み合わせによって、モーターが動いていないときであっても、ローターが常にどこに位置しているかをコントローラーに正確に伝えることができます。

ホールセンサーが整流を駆動する仕組み

三相 BLDC モーターでは、ローターの回転を維持するために巻線電流を正しいシーケンスで切り替える必要があります。これは整流と呼ばれるプロセスです。ホール センサーは、コントローラに間接的に位置を強制するのではなく、ローターの位置を直接読み出すことでこれを可能にします。

ステーターの周りに間隔を置いて配置された 3 つのセンサーにより、ロータの磁石は電気が完全に回転する際に 6 つの可能な高/低の組み合わせのうちの 1 つを生成します。各組み合わせは特定の 60° セクターに対応し、コントローラーはルックアップ テーブルを使用して、そのセクターに対して 3 つの相のうちのどの 2 つに通電するかを決定します。ローターが次のセクターに進むと、ホール パターンが変化し、コントローラーが次の巻線ペアに切り替わり、回転磁界がローターを前方に引っ張り続けます。電気サイクルごとに 6 つのステップが行われ、台形整流または 6 ステップ整流として知られています。

これが、ホール センサーが停止時や低速時に最も重要となる理由でもあります。逆起電力に依存するコントローラーは、モーターが使用可能な信号を生成するのに十分な速度で回転するまで、何も読み取ることができません。ホールを備えたモーターは、電力が印加された瞬間からその位置を報告します。そのため、センサー付き設計は、開ループ推測なしで、負荷がかかった状態で正確に開始されます。

ホール効果センサーの種類

すべてのホール センサーが同じように動作するわけではないため、モーターの指定やトラブルシューティングを行う際には区別が重要になります。

• デジタルユニポーラセンサー いずれかの磁極が近くを通過するとスイッチがオンになり、磁場が低下するとスイッチがオフになります。これらはシンプルで安価ですが、極の極性をそれほど明確に区別しないため、BLDC 整流ではあまり一般的ではありません。
• デジタルバイポーラ（ラッチング）センサー 一方の極があるときにスイッチをオンにし、反対側の極が到着したときにのみスイッチをオフにし、その間の状態を保持します。このラッチ動作により、クリーンで再現可能な遷移が得られ、BLDC 整流の標準的な選択肢となります。
• アナログ（リニア）センサー 単純なオン/オフ信号ではなく、電界強度に比例した電圧を出力します。これらは基本的な整流にはあまり使用されませんが、補間によるより細かい位置分解能が必要なアプリケーションで使用されます。

主要な選択基準

ホール センサーの選択、または既にモーターに組み込まれているホール センサーの評価は、整流精度とモーター効率に直接影響を与えるいくつかのパラメーターによって決まります。

BOP 値と BRP 値をデータシートから読み取る方法など、これらのパラメーターのより詳細な技術的詳細については、こちらを参照してください。 Portescap のホール効果センサー選択ガイド .

センサー付き BLDC 制御とセンサーレス BLDC 制御

ホール センサーは BLDC モーターを整流する唯一の方法ではなく、代替手段であるセンサーレスの逆起電力ベースの制御は、あるセットの強度を別のセットの強度と交換します。

センサー付きモーターは、R​​PM がゼロでも位置がわかっているため、負荷がかかっても信頼性の高い起動トルクを提供し、頻繁に起動、停止、または方向変更を行うアプリケーションにも十分に耐えます。そのコストは、追加の配線 (通常は 5 芯のハーネス) と、熱、振動、コネクタの不良によって故障する可能性のあるコンポーネントが 1 つ増えることです。センサーレス制御では、その配線とそれに関連する障害点が完全に排除されますが、モーターが検出可能な逆起電力を生成するのに十分な速度で回転するまでローターの位置を決定できません。これは、閉ループ制御が引き継ぐ前に、開ループの起動ランプが発生することを意味します。

中速から高速で連続的に動作するモーター (ファン、ポンプ、ドローンの推進など) の場合、多くの場合、センサーレス設計がより実用的な選択肢となります。ダイレクトドライブリフト、サーボ式ポジショニング、坂道で停止した状態から発進する電動自転車ハブモーターなど、直進始動から信頼性の高いトルクが必要な場合には、依然としてホールセンサーがより安全です。このトレードオフについては、この比較でさらに詳しく説明します。 センサーレス ブラシレス モーター制御とホール効果センサー付きブラシレス モーター制御 、およびこの概要 BLDC モーター コントローラーが整流をより広範囲に処理する方法 .

一般的なホール センサーの障害の診断

モーターがぎくしゃくしたり、起動時に停止したり、停止する前に一方向にのみ回転したりする場合は、巻線の故障ではなく、ホール センサーの問題の典型的な症状が現れています。

• 1 つのチャンネルで信号がありません: 単一のセンサーに障害が発生すると、無効な状態の組み合わせが生成されます。ほとんどのコントローラーは、誤った変換を試行するのではなく、障害としてフラグを立てます。
• 低速での粗いまたはぎくしゃくした回転: 多くの場合、センサーの位置がずれているか、ローターの磁石に対して正しい角度位置からずれていることを示します。
• モーターが間違った方向に回転するか、すぐに停止します: 修理中に交換された 2 つのホール ワイヤ、または間違った位相基準に配線されたセンサーを示している可能性があります。
• 振動による断続的なカットアウト: センサー自体の故障ではなく、はんだ接合部の亀裂またはコネクタの緩みの強力な兆候です。

センサーの 5V 電源ピンとグランド ピンのマルチメーターは、電力がセンサー ボードに到達していることを確認します。シャフトを手でゆっくり回転させながら、各信号線をアースに対してチェックすると、各磁極が通過するときにハイとローの間のきれいな遷移が表示されるはずです。変化しない信号、または不規則に点滅する信号は、コントローラーではなく、その特定のセンサーまたはその配線を指します。

ホールセンサー出力をモーターコントローラーに適合させる

ホール搭載モーターは方程式の半分にすぎません。5 線式ハーネスのもう一方の端にあるコントローラーは、同じ論理レベルを読み取り、同じセンサー配置を期待する必要があります。

モーターとコントローラーをペアリングする前に、ホール電源電圧がコントローラーの出力と一致していること (5V と 3.3V ロジックはレベル シフターなしでは交換できません)、およびコントローラーの位置センサー インターフェイスがエンコーダーやレゾルバー信号ではなくホール入力用に構成されていることを確認してください。複数の検出方法をサポートするコントローラーは、ここで柔軟性を提供します。の R2シリーズ高互換性BLDCモーターコントローラー たとえば、ホール効果センサー付きモーターとセンサーレスモーターの両方で動作するため、ハードウェアを変更せずにモータータイプ間の交換が簡単になります。特定のコントローラー モデルをホール搭載モーターの仕様に適合させるためのガイダンスについては、これを参照してください。 コントローラーとモーターのペアリングのリファレンス 調整する必要があるパラメータについて説明します。完全な BLDCモーターコントローラーラインナップ さまざまなサイズのモーターのさまざまな電圧および電流クラスをカバーします。