سنسور اثر هال در کنترل موتور
سنسور اثر هال جریانهای DC و AC را حس کرده و گزارش می کند. در این مقاله ساختمان و نحوه عملکرد آن در کنترل موتور تشریح شده است.
سنسور جریان وسیله ای است که جریان را به فرم و دامنه مورد نیاز تبدیل کرده و در خروجی در اختیار ما قرار می دهد. اندازه گیری شدت جریان الکتریکی معمولا خیلی ساده نیست. جهت کارهای کنترلی نمی توان به سادگی توسط یک آمپرمتر جریان را اندازه گیری کرد بلکه بایستی جریان به ولتاژ مناسبی جهت اعمال به مبدل ADC تبدیل گردد. که تاثیر اندکی بر روی مدار اندازه گیری داشته باشد. اولین شرط لازم برای یک سنسور، جداسازی الکتریکی بین مدار اصلی و مدار اندازه گیری است. و همچنین پهنای باند بزرگی به میزان حداقل 100 کیلوهرتز نیاز است. از اینرو سیستمهای اندازه گیری جریان پیچیده و مفصل هستند.
روشهای پیشین جهت اندازه گیری جریان که در گذشته بیشتر استفاده می شد. عبارت است از قرار دادن یک مقاومت سری توان بالا در مسیر عبور جریان و سپس با قرائت ولتاژ دو سر مقاومت، جریان آن محاسبه می شود. جهت به حداقل رسانیدن تلفات دو سر مقاومت اندازه گیری، مقدار مقاومت را حتی الامکان کوچک در نظر می گیرند. این روش به علت اینکه به آسانی تحت تاثیر نویز قرار گرفته و پایداری حرارتی مقاومت سری در میزان دقت آن تاثیرگذار است، در کار کنترل موتور القایی چندان جذاب نیست. روش دیگر که دارای جداسازی الکتریکی می باشد. استفاده از ترانسفورماتورهای اندازه گیری است. این ترانسفورماتورها اصول ساده ای دارند. و به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. جداسازی الکتریکی بین اولیه و ثانویه برقرار است. اما مشکل این است که ترانسفورماتورها قادر به اندازه گیری سیگنالهای dc نبوده و باند فرکانسی کوچکی دارند. سنسورهای اثر هال مانند ترانسفورماتورها میدان مغناطیسی احاطه کننده اطراف هادی را اندازه گیری می کنند ولی بر خلاف آنها قادر به اندازه گیری جریانهای dc نیز می باشند.
تئوری اثر هال (Hall Effect)
شکل 1 قاعده اساسی اثر هال را توصیف می نماید. چنانچه نشان داده شده است، جریانی از یک صفحه نازک از ماده نیمه هادی ( عنصر هال (Hall element) ) عبور می کند. هنگامی که هیچ میدان مغناطیسی وجود ندارد، توزیع جریانی هادی یکنواخت بوده و هیچ اختلاف ولتاژی در خروجی مشاهده نمی گردد. اما چنانچه در شکل 1 (ب) مشاهده می شود، هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود بر جریان هادی برقرار می شود، یک نیروی لورنتس بر جریان اثر کرده و توزیع یکنواخت جریان را بر هم می زند. نتیجه این عمل پیدایش اختلاف ولتاژی در خروجی است. این ولتاژ که ولتاژ هال(VH) نامیده می شود، با ضرب برداری جریان هادی و چگالی میدان مغناطیسی متناسب است . در رابطه شماره (1) در زیر آمده است.
رابطه شماره (1)
شکل (1) : توضیح اصل اثر هال
حسگر جریان اثر هال
حسگر هال، میدان مغناطیسی حول هادی را اندازه گیری می کند و برخلاف ترانسفورماتورهای جریان، جریان dc را نیز تشخیص می دهد. در این حسگرها یک هسته مدور از ماده مغناطیسی نرم، هادی جریان را احاطه می کند تا میدان مغناطیسی را متمرکز کند. عنصر هال که در یک فاصله هوایی کوچک قرار گرفته است، ولتاژ حاصل از جریان هادی را ارائه می دهد. این گونه حسگرها که حلقه بسته نامیده می شوند، پس از تقویت ولتاژ، جریانی از سیم پیچ جبرانساز که روی هسته مغناطیس پیچیده شده، عبور می کند. لذا میدانی مغناطیسی ایجاد می شود که با میدان مغناطیسی اول، حاصل از جریان هادی، برابر اما در خلاف جهت آن است. در نتیجه شار مغناطیسی درون هسته خنثی میگردد(شکل 2).
شکل (2) : ساختار داخلی حسگرهای اثر هال
بر مبنای رابطه شماره (1) ولتاژ هال تابعی از جریان عنصر هال است. چنانچه این جریان ثابت نگه داشته شود، ولتاژ هال تنها تابعی از چگالی میدان مغناطیسی خواهد بود. از آنجا که جهت جریان هادی می تواند در هر دو جهت باشد، لذا میدان مغناطیسی نیز می تواند در هر دو جهت ایجاد گردد. در نتیجه خروجی تقویت کننده میتواند مثبت یا منفی باشد که در این صورت به دو منبع تغذیه نیاز است. برای اجتناب از این مشکل، یک افست ثابت به تقویت کننده تفاضلی اعمال می شود. هنگامی که هیچ میدانی وجود ندارد، این ولتاژ به تنهای در خروجی ظاهر می شود که ولتاژ نول نامیده میشود. چنانچه میدان مغناطیسی مثبتی ایجاد شود، ولتاژ خروجی از ولتاژ نول بیشتر می شود. بالعکس اگر میدان مغناطیسی منفی باشد، خروجی به زیر ولتاژ نول کاهش می یابد، اما همچنان مثبت باقی می ماند. این مفهوم در شکل (3) نشان داده شده است.
شکل (3) : ولتاژ خروجی حسگر نسبت به میدان مغناطیسی
در تمامی تقویت کننده ها خروجی تقویت کننده نمیتواند از ولتاژ تغذیه فراتر رود. در مورد تقویت کننده تفاضلی حسگر اثر هال نیز وضعیت به همین منوال است و تقویت کننده قبل از آنکه به حد ولتاژ تغذیه برسد، شروع به اشباع شدن می کند. این اشباع در تقویت کننده رخ می دهد و نه در عنصر هال. بنابراین جریان های بزرگتر و در نتیجه میدان های مغناطیسی بزرگتر، به حسگر اثر هال آسیب نمی زنند بلکه آنها را بیشتر به سمت اشباع سوق میدهند.
سنسور جریان CSNE151-100 Hneywell
این سنسور یک سنسور حلقه بسته اثر هال می باشد ، همان طور که در قسمت بالا
گفته شد این نوع سنسورها توانایی اندازه گیری جریانهای ac ، dc و یا پالس
را دارا می باشند. 25 آمپر دور مقدار نامی آن است و دارای نسبت تبدیل بین
اولیه و ثانویه 1 به 1000است. این سنسور بر اساس اثر هال و تعادل صفر (null
balance) یا روش شار مغناطیسی صفر(سیستم فیدبک) کار میکند. شار مغناطیسی
در هسته سنسور دائما در مقدار صفر تنظیم میگردد. مقدار جریان مورد نیاز
جهت متعادل کردن شار صفر برابر مقدار جریان اولیه گذرنده از هادی ضرب در
نسبت دور سیم پیچهای اولیه به ثانویه است. این جریان حلقه بسته از سنسور
بیرون میآید و نمایانگر جریان تضعیف شده اولیه با نسبت تعداد دور ثانویه
در هر لحظه از زمان است. این جریان را با استفاده از یک مقاومت مناسب
میتوان به ولتاژ مورد نیاز در پروسه کنترلی تبدیل کرد.نحوه اتصال آن
lمطابق شماتیک آمده در شکل 3 است. جزئیات بیشتر همراه با برگه اطلاعات
سنسور را می توان با مراجعه به کاتالوگ آن پیدا کرد.
