Датчики Холла для бесколлекторного двигателя: возвращение квадратурных энкодеров
Это уже третья статья, рассказывающая о квадратурных декодерах, на сей раз с применением к управлению бесколлекторными двигателями.
- Статья первая: принцип работы квадратурного декодера + код для ардуино.
- Статья вторая: квадратурный декодер на stm32.
Задача: есть обычный китайский бесколлекторник, нужно его подключить к контроллеру Copley Controls 503. В отличие от копеечных коптерных контроллеров, 503й хочет сигнал с датчиков холла, которых на движке нет. Давайте разбираться, для чего нужны датчики и как их ставить.
Ликбез: принцип работы бесколлекторного двигателя
В качестве иллюстрации я возьму очень распространённый двигатель с двенадцатью катушками в статоре и четырнадцатью магнитами в роторе. Вариантов намотки и количества катушек/магнитов довольно много, но суть всегда остаётся одной и той же. Вот фотография моего экземпляра с двух сторон, отлично видны и катушки, и магниты в роторе:
Чтобы было ещё понятнее, я нарисовал его схему, полюса магнитов ротора обозначены цветом: красный для северного и синий для южного:
На датчики холла пока не обращайте внимания, их всё равно нет :)
Что будет, если подать плюс на вывод V, а минус на вывод W (вывод U не подключаем ни к чему)? Очевидно, будет течь ток в катушках, намотанных зелёным проводом. Катушки намотаны в разном направлении, поэтому верхние две катушки будут притягиваться к магнитам 1 и 2, а нижние две к магнитам 8 и 9. Остальные катушки и магниты в такой конфигурации роли практически не играют, поэтому я выделил именно магниты 1,2,8 и 9. При такой запитке мотора он очевидно крутиться не будет, и будет иметь семь устойчивых положений ротора, равномерно распределённых по всей окружности (левая верхняя зелёная катушка статора может притягивать магниты 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13).
Давайте записывать наши действия вот в такую табличку:
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 0° | n.c. | + | - |
А что будет, если теперь подать плюс на U и минус на W? Красные катушки притянут к себе магниты 3,4,10 и 11, таким образом чуть-чуть повернув ротор (я по-прежнему выделяю магниты, за которые ротор тянет):
Давайте посчитаем, на сколько повернётся ротор: между щелями магнитов 1–2 и 3–4 у нас 51.43° (=360°*2/7), а между соответствующими щелями в статоре 60° (=360°/12×2). Таким образом, ротор провернётся на 8.57°. Обновим нашу табличку:
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 8.57° | + | n.c. | - |
Теперь сам бог велел подать + на U и — на V!
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 17.14° | + | - | n.c. |
Теперь опять пора выровнять магниты с зелёными катушками, поэтому подаём напряжение на них, но красный и синий магниты поменялись местами, поэтому теперь нужно подать обратное напряжение:
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 25.71° | n.c. | - | + |
C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 34.29° | - | n.c. | + |
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 42.85° | - | + | n.c. |
Если мы снова повторим самый первый шаг, то наш ротор провернётся ровно на одну седьмую оборота. Итак, всего у нашего мотора три вывода, мы можем подать напряжение на два из них шестью разными способами 6 = 2*C23, причём мы их все уже перебрали. Если подавать напряжение не хаотично, а в строгом порядке, который зависит от положения ротора, то двигатель будет вращаться.
Запишем ещё раз всю последовательность для нашего двигателя:
| Угол поворота ротора | U | V | W |
| 0° | n.c. | + | - |
| 8.57° | + | n.c. | - |
| 17.14° | + | - | n.c. |
| 25.71° | n.c. | - | + |
| 34.29° | - | n.c. | + |
| 42.86° | - | + | n.c. |
Есть один нюанс: у обычного коллекторного двигателя за переключение обмоток отвечают щётки, а тут нам надо определять положение ротора самим.
Датчики Холла
Теперь давайте поставим три датчика холла в те чёрные точки, обозначенные на схеме. Давайте договоримся, что датчик выдаёт логическую единицу, когда он находится напротив красного магнита. Всего существует шесть (сюрприз!) возможных состояний трёх датчиков: 23 — 2. Всего возможных состояний 8, но в силу расстояния между датчиками они не могут все втроём быть в логическом нуле или в логической единице:
Обратите внимание, что они генерируют три сигнала, сдвинутые друг относительно друга на ⅓ периода. Кстати, электрики используют слово градусы, говоря про 120°, чем окончательно запутывают нубов типа меня. Если мы хотим сделать свой контроллер двигателя, то достаточно читать сигнал с датчиков, и соответственно переключать напряжение на обмотках.
Для размещения датчиков я использовал вот такую платку, дизайн которой взял тут. По ссылке лежит проект eagle, так что я просто заказал у китайцев сразу много подобных платок:
Эти платки несут на себе только три датчика холла, больше ничего. Ну, по вкусу можно поставить конденсаторы, я не стал заморачиваться. Очень удобно сделаны длинные прорези для регулировки датчиков относительно статора.
Постойте, но ведь это очень похоже на квадратурный сигнал с обычного инкрементального энкодера!
Ещё бы! Единственная разница, что инкрементальные энкодеры дают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90°, а у нас три сигнала, сдвинутые на 120°. Что будет, если завести любые два из них на обычный квадратурный декодер, например, той же самой синей таблетки? Мы получим возможность определять положение вала с точностью до четырёх отсчётов на одну седьмую оборота, или 28 отсчётов на оборот. Если вы не поняли, о чём я, прочтите принцип работы квадратурного декодера в первой статье.
Я долго думал, как же мне использовать все три сигнала, ведь у нас происходит шесть событий на одну седьмую оборота, мы должны иметь возможность получить 42 отсчёта на оборот. В итоге решил пойти грубой силой, так как синяя таблетка имеет кучу аппаратных квадратурных декодеров, поэтому я решил в ней завести три счётчика:
Видно, что при каждом событии у нас увеличиваются два из них, поэтому сложив три счётчика, и поделив на два, мы получим равномерно тикающий определитель положения вала, с точностью до 6×7 = 42 отсчёта на оборот!
Вот так выглядит макет подключения датчиков Холла к синей таблетке:
А почему на двигателе сразу нет датчиков?
В некоторых приложениях (например, для коптеров) все эти заморочки не нужны. Контроллеры пытаются угадать происходящее с ротором по току в катушках. С одной стороны, это меньше заморочек, но сдругой стороны, иногда приводит к проблемам с моментом старта двигателя, поэтому слабоприменимо, например, в робототехнике, где нужны околонулевые скорости. Давайте попробуем запитать наш движок от обычного китайского коптерного ESC (electronic speed controller).
Мой контроллер хочет на вход PPM сигнал: это импульс с частотой 50Гц, длина импульса задаёт обороты: 1 мс — останов, 2 мс — максимально возможные обороты (считается как KV двигателя * напряжение).
Вот здесь я выложил исходный код и кубовские файлы для синей таблетки. Таймер 1 генерирует PWM для ESC, таймеры 2,3,4 считают соответствующие квадратурные сигналы. Поскольку в прошлой статье я крайне подробно расписал, где и что кликать, то здесь только даю ссылку на исходный код.
На вход моему ESC я даю пилообразное задание скорости, посмотрим, как он его отработает. Вывод синей таблетки лежит тут, а код, который рисует график, тут.
Поскольку у меня двигатель имеет номинал 400KV, а питание я подал 10В, то максимальные обороты должны быть в районе 4000 об/мин = 419 рад/с. Ну, а вот и график подоспел:
Видно, что реальные обороты соответствуют заданию весьма приблизительно, что терпимо для коптеров, но совершенно неприменимо во многих других ситуациях, почему, собственно, я и хочу использовать более совершенные контроллеры, которым нужны сигналы с датчиков холла. Ну и бонусом я получаю абсолютный угол ротора, что бывает крайне полезно.
Подводим итог
Я провёл детство в обнимку с этой книжкой, но раскурить принципы работы бесколлекторников довелось только сейчас.
Оказывается, что шаговые моторы и вот такое коптерные моторчики — это (концептуально) одно и то же. Разница лишь в количестве фаз: шаговики (обычно, бывают исключения) управляются двумя фазами, сдвинутыми на 90°, а бесколлекторники (опять же, обычно) тремя фазами, сдвинутыми на 120°.
Разумеется, есть и другие, чисто практические отличия: шаговики рассчитаны на увеличение удерживающего момента, в то время как коптерные движки на скорость плавность вращения, что сказывается на количестве обмоток, подшипниках и т.п. Но в итоге обычный бесколлекторник можно использовать в шаговом режиме, а шаговик в постоянном вращении, управление у них будет одинаковым.
