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  • BamBam Hallsensor Extension


    barney
    Aufgabenstellung
    Es wird für die Postionsbestimmung des Motors eine Anordnung an Bipolaren Hall-Sensoren benötigt. Der Anschlussstecker soll dem Racing-Standard
    http://www.roarracing.com/downloads/2010_ROAR_Rule_Book.pdf entsprechen. Als Aufnahme soll ein 3D druckbarer Halter eingesetzt werden.
    Die Sensorplatine ist für 63mm 14 Pol Motor ausgelegt. Die Sensoren werden im 17.14° Winkel angeordnet.
     
     

    Wozu werden Hall-Sensoren eigentlich eingesetzt?  Worin liegen die Vor- bzw. Nachteile bei sensorbetriebenen Motoren? Lohnt sich das?  Und überhaupt, was machen diese Sensoren genau?

    Der Motor-Controller (ESC) weiß im Stillstand des Motors nicht, in welcher Stellung sich die Magnete des Motors befinden und beginnt den sensorlosen Start des Motors auf Verdacht. Dabei lässt sich oft beobachten, dass der BLDC-Motor kurz in die falsche Richtung ruckt, um dann in der gewünschten Richtung zu drehen. Wird eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht, so dass die back EMF des Motors (Generatorspannung) ausreicht um die Stellung der Magnete zu bestimmen, kann die Elektronik zielgerichtet die Kommutierung durchführen.

    Der zufällige Start bedingt eine nicht vollständige Ausnutzung des Motordrehmomentes und kann durch den Einsatz von Hall-Sensoren optimiert werden. Drei Sensoren geben dem ESC die nötige Information über die Stellung der Magnete und ermöglichen so ein sicheres Kommutieren aus dem Stillstand. Viele ESC nutzen die Sensor Information nur vom Stillstand bis zur einer bestimmten Drehzahl (ESC abhängig und üblicherweise nicht einstellbar), bis die back emf ein sicheres Auswerten der Magnetstellung ermöglicht. Warum auf die Sensoren dann verzichtet wird, ist nicht in der Literatur beschrieben.

    Für den kick push anfahrende Elektroskater sind Sensoren nicht unbedingt notwendig und können daher üblicherweise weggelassen werden. Anders sieht die Situation für die Skater im Gelände aus. Hier wird überlicherweise aus dem Stand heraus angefahren und erschwerend sogar in eine Steigung hinein oder auf ungünstigen Untergrund. Hier kann der Einsatz von Hall-Sensoren einen erheblichen Vorteil bringen. Off road-Fahrer haben hier von einem signifikanten Vorteil im Anfahrverhalten berichtet und Absenkung in der Stromaufnahme, welches mit einer signifikanten Temperaturabsenkung einher geht.

     

    Hier wird im Video eindrucksvoll aufgezeigt, wie wirksam Sensoren sein können

    https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=nuiNmyTZmXQ


    Externes nachrüsten, internes nachrüsten oder Plug & Play?

    Integrierte Hall-Sensoren im BLDC-Motor:

     

    Vorteile

    • besser geschützt vor Schmutz und Wasser, Vibration und anderen mechanischen Einflüssen

    • leicht zu handhaben, da plug and drive

    • Es wird kein zusätzlicher Platz um den Motor herum benötigt

    • kein Einstellen des Winkel nötig

     

    Nachteile

    • Falls man sich keinen Motor mit bereits eingebauten Hall-Sensoren kauft, ist eine Nachrüstung aufwendig und erfordert ein erhebliches KnowHow über den Aufbau eines BDCL-Motors.

    • Im Falle eines Defekts ist ein Austausch kompliziert, da der Motor komplett geöffnet werden muss.

    • Die sensiblen Sensoren sind in den meisten Lösungen direkt der Wicklungstemperatur ausgesetzt

    • Das Timing kann nicht manuell verändert werden. Somit hat man meist nicht die Möglichkeit die Motorleistung für den gewünschten Anwendungsfall zu optimieren.

     

    Externe Hall-Sensoren

     

    Vorteil

    • Sind leicht nachzurüsten auch ohne Kenntnisse über den Wicklungsaufbau eines BLDC-Motor.

    • Bei einem Defekt sind sie einfach austauschbar.

    • Dank einer flexible Möglichkeit zur Änderungen des Komutierungswinkel, kann das grösst mögliche Drehmoment einfach erreicht werden.

     

    Nachteile

    • Sehr empfindlich gegen Staub, Wasser & Vibration.

    • Man benötigt zusätzlichen Platz um den Motor herum

    • Je nach Material kann die Halterung bei einer zu hohen Motortemperatur schaden nehmen. (Eine Halterung aus PLA ist nicht genug Wärmebeständig.  

    • Der Winkel muss einmal eingestellt werden. Hier kann eine Strommesszange oder ein gutes Gehör helfen.

    • Bei einer Halterung ohne zusätzlichen Befestigungslappen, muss bei bei jedem Motoreinbau, der Winkel neu eingestellt werden.

     

    Wo bestelle ich die dazugehörigen Bauteile?


    Ich kann/will nicht löten. Wo kann ich fix fertige PCB’s bestellen?

    Aktuell kann man sich keine Plug & Play-Version von der BamBam-Hallsensoren Leiterplatte kaufen!  Auch bei anderen Anbietern müssen die Sensoren selber an die Leiterplatte gelötet werden.  Eine Leiterplatte für die c63xx Motoren ist hier im Wiki aufgezeigt und ein paar grundsätzliche Tipps zum Thema “löten“ gibts hier. http://www.elektro-skateboard.de/wiki/bambam/bambam-boardcontroller-loeten


    Was muss außer der Platine noch berücksichtigt werden?

    Eine Grundvoraussetzung damit die Platine eingesetzt werden kann, ist natürlich ein sensorfähiger Motor Controller (ESC). Bis zu einer Nennspannung von 6S hat man relativ viel Auswahl. Wird dieser Spannungbereich überschritten, wird die Auswahl geringer. Eine klare Empfehlung geht an dieser Stellen den Open Source VESC® von Benjamin Vedder. Eine Liste mit weiteren ESC kann man sich hier ansehen:

    https://docs.google.com/spreadsheets/d/1fuahiw-FJLqgtYf-5d3W6AfFhiZ8a3FjsLbM79GZI_E/edit#gid=102022537

     

    Platinenversionen: Die BamBam-Halls Sensorplatine v1.4 funktioniert ausschließlich mit 63mm Motoren mit 14 Polen. Es gibt noch eine V1.0, die mit 59mm Motoren von Hobbyking, laufen soll.


    Was muss bei der Montage der Platine berücksichtigt werden? 

    Die Hall-Sensoren sollten auf der Platine aufliegen, damit diese sich nicht durch Vibrationen verbiegen können oder sogar die Anschlussbeine brechen. Die Sensoren sollten ca 1mm über die in der Motorglocke sichtbaren Magnete schweben. Der Sensorhalter sollte sich nicht verdrehen- oder in Schwingung geraten können.
    Von Kontakt Chemie gibt es “Kontakt Chemie plastik 70”. Damit wird die Leiterplatte gegen Feuchtigkeit geschützt und bleibt weiterhin lötbar.

     

    Was gilt es in den Einstellungen zu berücksichtigen? (Timing) Muss der ESC speziell konfiguriert werden? 

    Das kommt auf den ESC an. Die einen erkennen die Hall-Sensoren von selbst. Bei anderen muss der Hall-Sensoren Betrieb aktiviert werden.

    Wenn die Sensoren völlig ungünstig stehen, kann es passieren, dass der BLDC-Motor unwillig in der falschen richtung dreht und Geräusche von sich gibt. Wer eine Strommesszange hat oder ein Amperemeter mit einem Messbereich von bis zu 20A kann das Messgerät einen BLDC-Motor-Anschluss einschleifen und die Sensor-Halterung solange vorsichtig verdrehen, bis ein Strom Minimum gemessen wird.

    Eine Englische Montage-Anleitung: (http://e0designs.com/documentation/finding-motor-phase-sensor-combinations/)

     

    Wie kann ich mir eine Halterung drucken, ohne einen eigenen 3D-Drucker zu kaufen?

    Eine übersichtliche Liste von 3D-Dienstleister findet man z.b hier. Dabei gilt zu beachten, dass hochwertige 3D-Druckverfahren mehr kosten als einfache Extruder-Verfahren mit den Standartmaterialien «ABS & PLA»

    Aufgrund der möglichen Wärmeeentwicklung, wird das temperaturwiederstandsfähigere Material «ABS» ganz klar empfohlen!

    http://3druck.com/lieferantenhaendler  

     

    Die vorgestellte Hartplastik-Halterung mit der leuchtenden Plexiglass-Abdeckung von Gerald-z sieht ganz schön aus.. wo krieg ich die her? 

    Gerald-z:  “Es ist kein offizieller Verkauf oder eine Serienproduktion von der Halterung/Abdeckung vorgesehen. Sollte jedoch Interesse besteht. Einfach anschreiben. Gerald-z

    Meine Halterung und Abdeckung passt nur für den C6374 Motor mit dem Sesorbord V1.3. Außendurchmesser Motor 63mm.”

     

    Was passiert wenn die Platine während einer Anwendung ausfällt?

    Das kommt jeweils auf den ESC an. Einige ESC stellen den Bertieb ein und können blockieren. Andere gehen alls “fall back” in den sensorlosen Betrieb über.

     

    ESC-Reaktion bei einem Ausfall oder einem Defekt der Hallsensorplatine:

    Alien Twin (Sensored)

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    Jive Pro 120+ HV

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    Jive Pro 80+ HV

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    Tensoric 8

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    Tensoric 8.2

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    Toro

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    Trackstar

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    Xerun

    Fällt zurück in den sensorlosen Betrieb.

    VESC

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    Anschlussbuchse

    Das Layout wurde so gestaltet, das die Buchse sich von vorn- und hinten anlöten lässt. Die Buchse muss dann entsprechend gedreht werden.

    Pin 1 ist bei der Draufsicht auf die Leiterplatte rechts. Pin 1 ist oft rechteckig im Layout.
     

    Layout
    bambam_hall_sensor_minimal_pcb_draufsich
    PCB 3D Darstellung
     
    bambam-sensor-holder-minimal2_3d
     
    Hall-Cut
    sensorhalter_masszeichnung
     
    PCB bestückt
    bambam_hall_sensor_minimal_platine
     
    Hall-Sensor-Halter
     
    von eXo
     
    exo-hallsensor_halter
     
     
    Gerald-Z
     
    sensorhalter_gerald-z
     

    Nutzerstimmen

     

    Gerald-z

    Im Trockenlauf funktioniert alles perfekt. Stromaufnahme mit oder ohne Sensoren ist ohne Last gleich. ao10HSxpVjexi7R92GGRBXOFuLYDYbfHnMu-4WIkabHghwn5x1_damHYkUUAI5WF3iDk5KxQb811OlGveCCPsKeEhD3qya9Br5-HNI3WFmLu9kKB4DjCVG-1Cs1E6HZjIch verwende den xerun 150a. Der ESC macht einem das einstellen des Winkel sehr leicht.Hat man die Phasen nicht richtig angeschlossen. Läuft er erst gar nicht an oder der Motor dreht hoch und blockiert bei Erhöhung der Drehzahl. Wenn dann alle Phasen richtig angeschlossen sind läuft der Motor so einiger massen. Ob der Winkel Stimmt hört man eindeutig am Motor.
    Gas ca 30% und den Winkel ändern. Der Motor wird bei dem passenden Winkel leiser und läuft nicht mehr so rau. Ist man darüber, wirkt der Motor angestrengt.
    Das ganze kann man auch bei der gesamten Stromaufnahme beobachten.
    Ist der Winkel richtig. Dann ist die Stromaufnahme am niedrigsten.
     
    Ich habe gestern eine umfangreiche Testfahrt im Gelände gemacht.Da ich einen Temperaturfühler im Motor habe. Konnte ich eine Verbesserung gegen über ohne Sensoren feststellen. Der Test hat auf der Hausstrecke stattgefunden. Der sehr langsame öfters nur ca 4km/h über Stock und Stein zulässt. Im großen und ganzen nur Starke Steigungen und Gefälle. vmax 15km/h. Die Motoren sind ca 10 Grad kühler geblieben. 6Vn_jMeOsXBMiG6bP5IuFSksdbckOHu7Rv8p4aAFL1pO0q8jc_nPwt5P_uZj5dnB_bEJ7iFUpszI5JSiXvmP3h2R-3cSGVnlAcy3knm1i3mtFJMq58gc6ivGZmpUaSv5Wie stark sich das auf die Reichweite auswirkt kann ich jetzt noch nicht sagen. Jedenfalls benötige ich jetzt beim Anfahren um einiges weniger Strom.
     

    eXo

    Die Motoren drehen je nach Untergrund einfach kompromisslos durch. Gegenfrage: Gibt es was geilers? tfsEGhW17mjV-ACO0vDG3SV4coP4uYTkGENyabzD85hN3CdYnsnC-9eITT91F3ungwRX4bdE7wVu3BWRDIzwUcQt3qOOIPw3akMpC4paGzA1O30GzDeRT6CxYpHSfI7v Die Beschleunigung hat sich auch verbessert. Ohne Sensoren ist es öfters passiert, dass ich zu viel Gas gegeben haben und das System kurzzeitig rumspackte. Ist mit den Sensoren nicht mehr passiert.

     
    Alle Dateien, Layout und STL-Files, befinden sich im GIT von Kai
     
    Git
    git clone http: //git.esk8b.de/bambam-hallsensor-extension

    Download
    https://github.com/esk8b/bambam-hallsensor-extension
     
    Neuerung 2019
    KiCAD Version 5.10 Anpassungen
    Alle Bauteile wurden an die Version KiCAD 5.10 angepasst. 
     
    Projektbeteiligte
    -> Halter: eXo, Gerald-z
    -> Entwurf Kontur der Leiterplatte und Halter: Gerald-z
    -> Leiterplatte: Barney
    -> Tests: Gerald-z, SAG, Kai, eXo

    BamBam Hall-Sensor 63mm v14 oben schräg.jpg




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