Датчики Холла и энкодер: что выбрать и как устранить рывки

Введение

Ключевая проблема при управлении BLDC/PMSM — «рывки» (jerk, cogging) при запуске, реверсе и низких скоростях. Причины — неточная информация о фазовом угле ротора, задержки коммутации и некорректные настройки регуляторов. Цель статьи: технически сравнить датчики Холла и энкодеры и дать практический план действий для устранения рывков.

Краткое сравнение: Холл vs энкодер

• Датчики Холла
• Простая дискретная информация (обычно 3 сигнала). Хороши для простой комутации и стартов при невысокой точности.
• Плюсы: низкая стоимость, простая пайка/подключение, устойчивость к вибрации.
• Минусы: низкая угловая разрешающая способность, скачкообразная информация на переходах → рывки без интерполяции.

• Энкодер (инкрементальный/абсолютный)
• Даёт высокоточное угловое положение (от десятков до десятков тысяч CPR). Позволяет гладкий FOC на низких скоростях.
• Плюсы: точное позиционирование, поддержка анти-рывковых алгоритмов (таблицы против кручения, коррекция фазового сдвига).
• Минусы: выше цена, сложнее механическая интеграция, требуется совместимый интерфейс (SPI/SSI/ABZ/CAN).

Почему возникают рывки — технически

1. Неточная фаза: неправильный угол коммутации между током и магнитным потоком (коммутационный оффсет).

2. Дискретность Холлов: переходы ±60° электрических вызывают скачки момента.

3. Низкая частота обновления/задержки контроллера и ШИМ: сдвиг фазы при увеличенной задержке.

4. Неправильные PID/PI настройки: слишком узкая/широкая полоса регулятора скорости/тока.

5. Неправильное число пар полюсов, направление или инверсия фаз/датчиков.

Практическая методика: проверка и настройка (шаги)

1. Аппаратная проверка

• Проверьте правильность подключения фаз моторa и датчиков (Hall A/B/C; encoder A/B/Z). Ошибки порядка/фазы — частая причина.
• Измерьте сигнал Холлов осциллографом: должны быть четкие прямоугольные импульсы без дрейфа уровня.
• Для энкодера: проверьте стабильность сигнала на холостом ходу и при вращении.

2. Базовая настройка контроллера

• Установите корректное число пар полюсов (pole pairs). Ошибка = некорректная синхронизация фаз.
• Задайте разрешение энкодера (CPR) и направление в прошивке.
• Установите правильную инверсию фаз и датчиков: если при подаче тока мотор идёт не в том направлении — поменяйте порядок фаз или инвертируйте сигналы.

3. Настройка старта/калибровки

• Используйте фазовую калибровку: удержание статического тока в известной фазе и чтение нулевого угла (или индексной метки энкодера).
• Если доступен энкодер — используйте индекс Z для точной привязки угла.
• Для Холлов: выполните автоматическую подстройку смещения (hall offset) в контроллере или вручную выставьте угловой сдвиг (обычно в градусах электрических).

4. Настройка FOC/регуляторов

• Current loop bandwidth: 100–800 Hz в зависимости от силовой электроники; начинайте с ~200–400 Hz.
• Speed loop bandwidth: 5–50 Hz; слишком высокая полоса вызывает нестабильность и рывки.
• Применяйте фильтрацию измерения скорости: low-pass с fc = 5–20 Hz снижает реакцию на дискретные скачки.
• Если контроллер поддерживает PLL/observer (например, датчик+наблюдатель), включите fusion mode — это уменьшит влияние дискретных Холлов.

5. Компенсация задержек и опережение фазы

• Добавьте фазовый опережающий сдвиг (advance) 0–10° электрических для компенсации задержек ШИМ/инвертора. Подберите экспериментально.
• Для энкодера используйте коррекцию угла в прошивке (commutation offset).

6. Интерполяция Холлов и анти-рывковые меры

• Если энкодер недоступен, включите в контроллер функцию интерполяции по Холлам (если есть). Она аппроксимирует угол между переходами.
• Применяйте anti-cogging (таблица компенсации) при наличии энкодера — записать карту крутящего момента и применять в реальном времени.

Практические рекомендации по выбору

• Если задача — экономичный привод, невысокая точность, работа на средних/высоких скоростях: Холлы + FOC с интерполяцией.
• Если нужна точность на низкой скорости и запуск без рывков: энкодер (минимум 1024–2048 CPR для роторов с высокой парой полюсов; для высокоточных применений 4096+ CPR).
• Для электромобилей, скутеров и систем с рекуперацией рекомендуется комбинировать: Холлы для дешёвого позиционирования + энкодер для точной регулировки/калибровки.

Контроллеры и конкретные настройки

• Votol/Fardriver/Kelly: у большинства есть опции hall-offset, encoder-cpr, current/speed PID. Рекомендуется смотреть инструкцию конкретного контроллера и начинать с штатных профилей. Параметры и примеры настройки доступны в руководстве по Votol: https://dellerev.com/2026/01/nastroyka-votol-toki-rekuperaciya-start-zashchita-temperatury/

• FOC-алгоритмы: при переходе от холлов к энкодеру вы можете уменьшить полосу скорости и расширить current-loop для более мягкой реакции. Подробнее о принципах FOC и плавности — https://dellerev.com/2026/01/foc-upravlenie-edet-myagche/

• Выбор энкодера и интеграция: рекомендации по типам энкодеров и как они влияют на рывки — https://dellerev.com/2026/01/datchiki-holla-encoder-vybor-ryvkov/

Контрольный чек-лист (быстро)

1. Проверьте механическую посадку энкодера/холлов.

2. Подтвердите правильный порядок фаз и направление.

3. Настройте pole pairs и CPR в контроллере.

4. Проведите калибровку нулевого угла (статор-ротор).

5. Настройте current loop → speed loop по рекомендациям.

6. Включите фильтры скорости и, при необходимости, PLL/observer.

7. Подберите фазовое опережение и anti-cogging, если доступно.

Примеры типичных значений для начала

• Pole pairs: по спецификации мотора.
• Encoder CPR: минимум 1024–2048 для низких скоростей; 4096+ для точного позиционирования.
• Current loop BW: 200–400 Hz.
• Speed loop BW: 10–30 Hz.
• Velocity LPF fc: 5–15 Hz.
• Phase advance: 0–10° электрических.

Заключение

Выбор между датчиками Холла и энкодером определяется требуемой точностью на низких скоростях и бюджетом. Энкодер даёт наилучший результат против рывков, но корректная настройка контроллера (pole pairs, PID, фильтры, phase offset) критична в любом случае. Для практических примеров настройки контроллеров и подборов моторов смотрите материалы по Votol и FOC на сайте: https://dellerev.com/2026/01/nastroyka-votol-toki-rekuperaciya-start-zashchita-temperatury/, https://dellerev.com/2026/01/foc-upravlenie-edet-myagche/, https://dellerev.com/2026/01/datchiki-holla-encoder-vybor-ryvkov/.

Читайте также

• https://dellerev.com/2026/01/nastroyka-votol-toki-rekuperaciya-start-zashchita-temperatury/
• https://dellerev.com/2026/01/datchiki-holla-encoder-vybor-ryvkov/
• https://dellerev.com/2026/01/podbor-elektromotora-qs-motor/