Hall effect sensor tester for BLDC Motor

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงแบบไม่ใช้แปรงถ่าน (Brushless DC Motor : BLDC Motor) ในปัจจุบันมีนักทดลอง นักออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และสินค้าในด้านนี้มีเพิ่มมากขึ้นและเป็นที่สนใจกันทั่วไป ทั้งนี้เนื่องมอเตอร์ชนิดนี้ให้จะให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ค่อนข้างสูง (High efficiency) หรืออาจจะเรียกให้ง่ายๆ คือ เป็นมอเตอร์ที่ให้กำลังสูง (แรงม้า) ในปริมาณของพลังงานไฟฟ้าที่เท่ากัน (หรือเรียกว่าใช้พลังงานไฟฟ้าได้คุ้มค่า) และเป็นผลเกี่ยวเนื่องให้มีค่าความสูญเสียภายในตัวมอเตอร์ต่ำ ซึ่งเป็นจุดเด่นสำคัญของมอเตอร์ชนิดนี้ นอกจากจุดเด่นแล้วมอเตอร์แบบนี้ก็มีจุดด้อยด้วยเช่นกัน เรื่องของการขับมอเตอร์จะมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น และค่าความเข็มของตัวแม่เหล็กถาวรที่อยู่ภายในตัวมอเตอร์ จะเป็นค่าคงที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนให้เพิ่มขึ้นหรือลดลงได้เพื่อให้เกิดความยืดหยุ่นต่อการขับตัวมอเตอร์ตามที่ต้องการ

สำหรับมอเตอร์แบบไม่ใช้แปรงถ่านนี้ โดยทั่วไปจะมีลักษณะการควบคุมด้วยกัน 2 แบบคือ แบบใช้เซนเซอร์ตำแหน่งการหมุน (Sensor BLDC motor) และแบบไม่ใช้เซนเซอร์ตรวจจับตำแหน่งการหมุน (BLDC motor sensorless) ทั้งนี้มอเตอร์แบบไม่ใช้แปรงถ่านนี้ จำเป็นสัญญาณที่จะใช้บอกตำแหน่งการหมุนของตัวแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ทั้งนี้เพื่อต้องการให้ตัวประมวลผลรับสัญญาณ (BLDC motor position sensor) และสร้างสร้างสัญญาณกำลัง (Motor driving signals) ได้ถูกต้องในช่วงเวลานั้นๆ

สำหรับโครงงานที่นำเสนอนี้จะเป็นการออกแบบวงจรเล็กๆ ที่จะใช้ในการทดสอบอุปกรณ์เซนเซอร์ตำแหน่งในตัวมอเตอร์ชนิดนี้ ซึ่งจะเรียกกันว่า Hall effect sensor ซึ่งจะมีอยู่ด้วยกัน 3 ตัว สำหรับ 3 เฟส ทั้งนี้เพื่อให้เราใช้ตรวจสอบว่าสามารถใช้งานได้เป็นปกติ หรือมีส่วนใดที่อาจจะเสียหายบ้างหรือไม่ และวงจรตัววงจรสามารถใส่ในกล่องสำหรับทดสอบขนาดเล็กที่จะสามารถใช้นอกสถานที่ได้ง่ายและสะดวก

ในรูปที่ 1 ข้างบนจะเป็นอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการสร้างวงจรสำหรับทดสอบ Hall effect sensor ซึ่งจะใช้อุปกรณ์ทั่วไปที่หาซื้อได้ง่าย ลดการไม่ใช้อุปกรณ์ที่มีความเฉพาะสำหรับวงจรนี้

รูปที่ 2 เริ่มต้นประกอบอุปกรณ์ต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยเน้นจะให้เราสามารถมองเห็นแอลอีดีทั้ง 3 ดวงได้ง่าย ซึ่งจะเป็นสัญลักษณ์ของการตรวจสอบ Hall effect sensor ภายในตัวมอเตอร์นั้นเอง

เมื่อประกอบอุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกันเป็นส่วนใหญ่แล้วซึ่งแสดงในรูปที่ 3 จะเริ่มต้นทดสอบการทำงานเบื้องต้นของวงจรแหล่งจ่ายไฟว่าทำงานได้ถูกต้อง ซึ่งในการทดลองนี้จะใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง ขนาด 12V (DC Power Supply) แทนแบตเตอรรี่ที่จะนำมาใช้งานจริงก่อน

ในรูปที่ 4 เมื่อทดลองเบื้องต้นเป็นไปอย่างถูกต้องแล้ว จากนั้นเราจะเชื่อมต่อสายไฟต่างๆ เพื่อให้สามารถใช้งานได้เหมือนจริงเพิ่มขึ้นคือ สายไฟสำหรับต่อไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่ สายไฟสำหรับใช้เชื่อมต่อเข้ากับ Hall effect sensor ภายในตัวมอเตอร์

รูปที่ 5 แสดงลักษณะการต่อใช้งานของวงจรตรวจสอบ Hall effect sensor สำหรับตัวมอเตอร์และการต่อใช้งานจริง โดยใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่ขนาด 9V

สำหรับรูปข้างบนที่ 6 แสดงตำแหน่งการต่อไฟเลี้ยงของวงจรต้นแบบและการต่อสายไฟสำหรับใช้ในการทดลองเบื้องต้น

ในรูปที่ 7 จะแสดงตำแหน่งการเชื่อมต่อสายไฟระหว่างตัวมอเตอร์ และวงจร Hall effect sensor ซึ่งโดยทั่วไปสายไฟจากตัวมอเตอร์จะเป็นสีที่จะบอกกลุ่มการใช้งานให้เราทราบเบื้องต้นคือ

• สายสีแดง = +5V
• สายสีดำ = กราวด์
• สายสีน้ำเงิน = Hall effect 1
• สายสีเหลือง = Hall effect 2
• สายสีเขียว = Hall effect 3

เมื่อเราต่อวงจรเข้ากับ Hall effect sensor ของตัวมอเตอร์แล้ว ให้เราทดลองใช้มือหมุนที่แกนของตัวมอเตอร์ (โรเตอร์) โดยในขณะที่หมุนนี้จะสังเกตเห็นแอลอีดีทั้ง 3 ตัวจะกระพริบสลับกันไปมาทั้ง 3 ดวง ซึ่งถ้ากระพริบก็หมายความว่า Hall effect sensor สามารถใช้งานได้เป้นปกติ แต่ในกรณีที่แอลอีดี ดวงใดดวงหนึ่งติดค้าง หรือไม่กระพริบเลยให้เราตรวจสอบ Hall effect sensor นั้นๆ ก่อนนำมอเตอร์ไปใช้งาน

ในรูปข้างบนที่ 10 จะเป็นวงจรที่ออกแบบสำหรับวงจรตรวจ Hall effect sensor ซึ่งจะเข้าใจการทำงานได้ง่ายไม่ซับซ้อนมากนัก โดยพอจะอธิบายคร่าวๆ คือจากไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่ขนาด 9V จะถูกนำมาลดทอนลงให้เหลือ 5V ด้วยไอซีเรกูเลต KIA78L05 และเมื่อได้ไฟเลี้ยงนี้แล้ว จะจ่ายไฟเลี้ยงไปยังตัวต้านทาน 1k และแอลอีดีทั้ง 3 ชุด และจะรอการสั่งงานจาก Hall effect sensor ภายในตัวมอเตอร์นั้นเอง

Referance

1. https://www.motioncontroltips.com/faq-what-are-hall-effect-sensors-and-what-is-their-role-in-dc-motors/
2. https://www.researchgate.net/publication/224162469_Position_estimation_and_control_of_compact_BLDC_motors_based_on_analog_linear_Hall_effect_sensors
3. https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN4058.pdf
4. https://www.powersystemsdesign.com/articles/hall-effect-sensors-deliver-higher-efficiency-in-brushless-dc-motors/22/5515
5. https://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/hall-effect.html
6. https://www.melexis.com/en/articles/hall-effect
7. https://electronics.stackexchange.com/questions/109686/hall-effect-sensor-as-toggle-switch