Honeywell Sensing and Control hat einen hochempfindlichen und sehr schnell reagierenden bipolaren Latching-Sensor entwickelt, der ein Quad-Hall-Element ohne Chopper-Stabilisierung und eine proprietäre Programmierung verwendet. Dieses neue Design kombiniert verschiedene Vorteile, wie hohe Empfindlichkeit, Wiederholbarkeit und schnelle Reaktionszeit, die zu einem effizienteren BLDC-Motordesign beitragen.
In einer Vergleichsuntersuchung wurde dieser neue Sensor nun mit verschiedenen auf dem Markt verfügbaren Latching-Sensoren getestet. Alle Vergleichssensoren verwenden dabei die sogenannte Chopper-Technologie, bei der mit einem höherfrequenten Takt die Hallzelle mit unterschiedlichen Stromflussrichtungen versorgt wird. Dadurch kann mit einer nachgeschalteten Mittelwertbildung der verpackungsbedingte Offset des Meßelements reduziert werden. Der neue Honeywell-Sensor (erhältlich in drei Varianten: SS460S; SS360ST; SS360NT) verwendet hier ein anderes Konzept. Er ist mit einer Quad-hallzelle aufgebaut, wobei per Design die vier Einzelhallelemente mit unterschiedlichen Stromflussrichtungen gespeist werden und somit den Offset quasi "statisch" minimieren. Durch abschließende Programmierung ist es ferner möglich die magnetischen Schaltschwellen sehr empfindlich und stabil über den Einsatztemperaturbereich zu realisieren.
In der durchgeführten Untersuchung sind die Ergebnisse des bewertenden Vergleichs mit 5 Marktbegleiter-Produkten (alle mit Chopperstabilisierung) im ähnlichen Empfindlichkeitsbereich dargestellt.
Durchführung der Untersuchung
In der Vergleichsuntersuchung wurden insbesondere die Reaktionszeit (delay) zwischen magnetischem Polwechsel und elektronischem Ausgangssignal, die Wiederholbarkeit einzelner Flanken über zahlreiche Umdrehungen und die Empfindlichkeit in Bezug auf den Luftspalt zum anregenden Magnetrad (Multipolrad) gemessen.
Dazu wurden gleichzeitig jeweils zwei Hallsensoren (Honeywell + Vergleichstyp) an einem Ringmagnetrad (48Polpaare) mit verschiedenen Betriebsparametern betrieben. Neben der Drehzahl- und Drehrichtung wurde auch der Luftspalt (Abstand Sensor zu Oberfläche des Magnetrades) variiert. Durch kreuzweisen Austausch der Proben wurden weiterhin mechanische und Testaufbau bedingte Toleranzen reduziert, um einen realen Vergleich gewährleisten zu können.
Die Honeywell Testmuster wurden so gewählt, dass Muster mit den typischen Spezifikationswerten vermessen wurden. Die Vergleichsmuster wurden zufällig aus einer aktuellen Lieferung gewählt.
Ergebnisse
Es ergibt sich ein sehr eindeutiges Bild betrachtet man exemplarisch nachfolgende Grafiken des Oszilloskops (Honeywell SS460S=blaue Kurven; Marktbegleiter=grüne Kurve). Der Honeywell-Sensor schaltet bei allen Messungen deutlich schneller als jeder andere gemessene Vergleichstyp. Dabei liegt diese Reaktionszeit im Bereich von 10-20 µs (je nach Testsparameter).
Weiterhin ist bei 3 Herstellern die Stabilität der Schaltschwellen (Wiederholbarkeit) deutlich schlechter als beim Honeywellsensor. Hier ergeben sich Stabilitätsschwankungen von bis zu 20 µs zusätzlich zur konstanten Verzögerung.
Bei 2 Herstellern neuerer Produkte ist eine gleichwertige Stabilität zu erkennen, wobei die konstante Verzögerung im Bereich von 12..14µs als Unterschied weiterhin zu bemerken ist.
Schlussfolgerung
Der Vergleichstest der Reaktionszeit und Stabilität für den bipolaren Latching-Hall- Sensor Honeywell SS460S und fünf Mitbewerberprodukte zeigt, dass das Honeywell-Produkt ohne Chopper-Stabilisierung eine wiederholbarere Ausgabe und eine deutlich schnellere Reaktionszeit gegenüber Mitbewerberprodukten mit Chopper-Stabilisierung hat. In einigen Fällen zeigten die Mitbewerber eine schwankende Reaktionszeit von 10 µs bis 30 µs bezogen auf die Honeywellflanke. Der Test lässt darauf schließen, dass die Chopper-Stabilisierung ein wesentlicher Einflussfaktor in Bezug auf die Signallaufzeit und damit auf die Reaktionsfähigkeit des Hallsensors darstellt. Durch eine höhere Frequenz der Chopper-Stabilisierung kann das Problem der Schwankung, wie bei zwei Produkten ersichtlich, zwar minimiert werden, die insgesamt verzögerte Reaktion ist aber weiterhin deutlich erkennbar.
Eine schnellere Reaktionszeit auf eine Änderung im Magnetfeld gewährleistet eine größere Effizienz in der Kommutierung eines BLDC-Motors. Wenn ein Sensor aufgrund einer langsamen Reaktionszeit oder einer Verzögerung bei einem anderen Magnetfeldstatus schaltet als benötigt, kann dies zu Genauigkeitsfehlern führen. Insbesondere bei großen Drehzahlen und dynamischen Drehzahländerungen wird dieser Effekt an negativer Bedeutung gewinnen.
Ferner zeigte sich im Test der Empfindlichkeit bei verändertem Luftspalt, dass das Honeywell- Produkt ohne Chopper-Stabilisierung leistungsfähiger ist als ein empfindlicheres Wettbewerbsprodukt und eine konstantere Reaktionszeit bei zunehmendem Luftspalt aufrechterhalten kann. Der Honeywell-Sensor SS460S bietet eine magnetische Empfindlichkeit von typischerweise 30 Gauß (G) (55 G maximal), einem Wert, der gegenüber einem Wettbewerber-Produkt niedriger liegt. Dennoch zeigte der SS460S bei Variation des Luftspaltbereiches eine geringere Varianz des Ausgangssignals und somit eine bessere Stabilität.
Zusammenfassend bieten die neuen Latching-Hall-Sensoren von Honeywell (SS460S // SS360ST// SS360NT) durch ein neues Design ohne Verwendung der Choppertechnologie ein deutlich stabileres und schnelleres Signal. Dies kann je nach Anwendung zu deutlichen Effizienzsteigerungen eines BLDC-Elektromotors beitragen.
