無刷直流電動機中的霍爾位置傳感器

1、微特電機SMALL&SPECIALELECTRICALWAM«=APNGDAT(府*iC“，資源系統(tǒng)MACHINES款與他期刊口I日TIMEDFEFIIQDICAL1999年第27卷第5期Vol.27No.51999無刷直流電動機中的霍爾位置傳感器蔡耀成【摘要】無刷直流電動機中使用的位置傳感器有許多種類，而霍爾位置傳感器因具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便靈活，易于機電一體化等優(yōu)點，目前已越來越得到廣泛的應(yīng)用。該文對這類傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計原則等方面做較詳細的介紹?！娟P(guān)鍵詞】無刷直流電動機霍爾位置傳感器中圖分類號：TM38文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004-7018(1999)05

2、-0014-05HallPositionSensorsinBrushlessDCMotorCaiYaocheng(ChangzhouMicro&SpecialMotorsGeneralFactory,JiangsuChangzhou213011)AbstractTherearemanypositionsensorsusedinbrushlessDCmotors.Featuringsimplestructure,easytomountandmechano-electronized,Hallsensorsarebecomingmoreandmorewidelyused.Thisarticl

3、ewillgiveadetailedintroductiontoconstruction,operationanddesignprinciplesoftheseHallsensors.KeywordsbrushlessmotorHallpositionsensor1前言位置傳感器是組成無刷直流電動機系統(tǒng)的三大部分之一，也是區(qū)別于有刷直流電動機的主要標(biāo)志。具作用是檢測主轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中步進式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。

4、位置傳感器的種類很多，有電磁式、光電式、磁敏式等。它們各具特點，然而由于磁敏式霍爾位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優(yōu)點，目前得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文將對這種位置傳感器的結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)成原則等作一分析。2霍爾傳感器磁敏式傳感器是一種以磁場激發(fā)的磁敏元器件，它是名目繁多的傳感器中重要的一個家族。磁敏傳感器的種類很多，有磁阻元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁抗元件、方向性磁電元件、霍爾元件、霍爾集成電路，以及利用這些元器件二次集成的磁電轉(zhuǎn)換組件。其中以霍爾效應(yīng)原理構(gòu)成的霍爾元件、霍爾集成電路、霍爾組件統(tǒng)稱為霍爾效應(yīng)磁敏傳感器，簡稱霍爾傳感器。2.1半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)187

5、9年美國霍普金斯大學(xué)的霍爾(E.H.Hall)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁場中的導(dǎo)體有電流通過時，其橫向不僅受到力的作用，同時還出現(xiàn)電壓。這個現(xiàn)象后來被稱為霍爾效應(yīng)。隨后人們又發(fā)現(xiàn)，不僅是導(dǎo)體，而且在半導(dǎo)體中也存在霍爾效應(yīng)，并且霍爾電勢更明顯，這是由于半導(dǎo)體有比導(dǎo)體更大的霍爾系數(shù)的緣故。眾所周知，任何帶電粒子在磁場中沿著與磁力線垂直的方向運動時，都要受到磁場的作用力，該力稱為洛倫茲力，其大小可用下式表示：F=qvB式(1)表明，洛倫茲力的大小與粒子的電荷量q,粒子的運動速度v及磁感應(yīng)強度B成正比。圖1是在一長方形半導(dǎo)體薄片上加上電場E后的情況。在沒有外加磁場時，電子沿外加電場區(qū)的相反方向運動，形成一股沿電場方向

6、的電流I,如圖1a所示。當(dāng)加以與外電場垂直的磁場B時，運動著的電子受到洛倫茲力的作用將向左邊偏移，并在該側(cè)面形成電荷積累，如圖1b所示。由于該電荷的積累產(chǎn)生了新的電場，稱為霍爾電場。該電場使電子在受到洛倫茲力的同時還受到與它相反的電場力的作用。隨著半導(dǎo)體橫向方向邊緣上的電荷積累不斷增加，霍爾電場力也不斷增大。它逐漸抵消了洛倫茲力，使電子不再發(fā)生偏移，從而使電子又恢復(fù)到原有的方向無偏移地運動，達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1c所示。然而，與無磁場時不同的是，在半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生了一電場Eh,這個霍爾電場的積分，就在元件兩側(cè)間顯示出電壓，成為霍爾電壓，這就是所謂的霍爾效應(yīng)。圖1半導(dǎo)體中電子運動的狀態(tài)示意圖圖2

7、霍爾效應(yīng)原理根據(jù)霍爾效應(yīng)的原理，可制成如圖2所示結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件霍爾元件。對于一定的半導(dǎo)體薄片，其霍爾電動勢E可用下式表示:凡(3)式中：R霍爾系數(shù)（m3/C）;Ih控制電流（A）;B磁感應(yīng)強度（T）;d薄片的厚度（mj）;P材料電阻率（Q.m）；N材料遷移率（m2/（V.3）。若式（2）中常數(shù)項用Kh表示，則有E=KHIhB(4)式中：Kh霍爾元件的靈敏度mW（mAT）,M火H當(dāng)磁感應(yīng)強度B和霍爾元件的平面法線成一角度9時，實際上作用于霍爾元件的有效磁場是其法線方向的分量，即BcosO,此時霍爾電勢為：E=KJhBcosB（5）上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動勢很低，在應(yīng)用時往往要外接放大器，很不方

8、便。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，將霍爾元件與半導(dǎo)體集成電路一起制作在同一塊硅外延片上，這就構(gòu)成了霍爾集成電路。2.2霍爾傳感器的分類2.2.1按結(jié)構(gòu)分類霍爾傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為霍爾元件、霍爾集成電路和霍爾功能組件三大類。2.2.2按功能分類霍爾傳感器按其功能和應(yīng)用可分為線性型、開關(guān)型、鎖定型三種。(a)線性型線性型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、輸出級等部分組成，其功能方塊圖如圖3所示。輸入為線性變化的磁感應(yīng)強度，得到與磁感應(yīng)強度成線性關(guān)系的輸出電壓?？捎糜诖艌鰷y量、非接觸測距、黑色金屬檢測等。具輸出特性曲線如圖4所示。圖3功能方框圖圖4磁電轉(zhuǎn)換特性曲線(b)開關(guān)型開關(guān)型傳感器是由電

9、壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強度，輸出為數(shù)字信號。圖5是其輸出特性曲線。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁感應(yīng)強度的大小有關(guān)，而不需要磁場極性的變換。它的磁滯回線相對于零磁場軸是非對稱的。圖6顯示了這種開關(guān)電路在交變磁場作用下的輸出特性。圖5輸出特性圖6交變磁場下的輸出特性(c)鎖定型鎖定型傳感器同樣也是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器、輸出級等五部分組成，其功能方框圖如圖7所示。圖7鎖定型傳感器功能方框圖鎖定型傳感器實質(zhì)上也是一種開關(guān)型器件，與一般霍爾開關(guān)的差別在于，它是由雙磁極激發(fā)的。由于雙磁極霍爾鎖定器的磁滯回線相對于零磁場

10、軸是對稱的，在交變磁場作用下輸出波形可得到1：1的占空比,且不受外界溫度及交變磁場峰值大小的影響。圖8是雙磁極霍爾鎖定器的輸出特性。從圖中可以看到其磁滯回線相對于零磁場軸是對稱的。圖9顯示了這種霍爾鎖定器在交變磁場作用下的輸出特性，其輸出波形的占空比為1：1。圖8輸出特性1圖9交變磁場下的輸出特性霍爾鎖定器的基本工作過程是：當(dāng)外界磁場方向為正時，霍爾元件的差分輸出電壓為正，這個電壓經(jīng)放大器放大后作為觸發(fā)器的觸發(fā)信號。當(dāng)信號電壓隨外界磁感應(yīng)強度的增強而增加，達到觸發(fā)器導(dǎo)通電壓閾值時，電路的輸出隨之由高電平變?yōu)榈碗娖?，此后，如果外界磁感?yīng)強度繼續(xù)增加，觸發(fā)器維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。由于觸發(fā)器的導(dǎo)通和截止

11、電壓閾值的設(shè)計是對稱的，所以當(dāng)外界磁感應(yīng)強度減弱時，觸發(fā)器仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)外界磁場改變極性并達到一定強度時，霍爾元件輸出的負觸發(fā)信號達到觸發(fā)器的截止閾值電壓，觸發(fā)器才由導(dǎo)通躍變?yōu)榻刂?，因而磁場的極性每變換一次，電路的輸出就完成一次開關(guān)轉(zhuǎn)換。3霍爾位置傳感器3.1位置傳感器的結(jié)構(gòu)霍爾位置傳感器和電動機本體一樣，也是由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子是由若干個霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。圖10為

12、霍爾位置傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖3.2位置傳感器的基本功能位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動機傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（NS極）的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動機的一個換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在3600機械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。3.3位置傳感器的構(gòu)成原則要構(gòu)成一個霍爾位置傳感器必須滿足以下兩個條件：(a)位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)是不重復(fù)的，每一個開關(guān)狀態(tài)所占的電角度應(yīng)相等。(b)位置傳感器在一個電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動機

13、的工作狀態(tài)數(shù)相對應(yīng)。如果位置傳感器輸出的開關(guān)狀態(tài)能滿足以上條件，那么總可以通過一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動機的換向狀態(tài)對應(yīng)起來，進而完成換向。然而，對于每一種組合的霍爾位置傳感器并非都能滿足上述要求的。先以一個由相互間隔為60°電角度的三個霍爾元件A、RC所組成的霍爾位置傳感器為例，圖11為霍爾元件輸出波形組合圖，表1是霍爾元件的輸出狀態(tài)表。圖11霍爾元件輸出波形組合圖表1霍爾元件輸出狀態(tài)由前面所述的鎖定型霍爾開關(guān)元件的原理可知，在一個電周期內(nèi)，即轉(zhuǎn)子的一對磁極轉(zhuǎn)角內(nèi)，當(dāng)其感受N及S二個不同極性磁場的作用時，將呈現(xiàn)出“高電平”及“低電平”(或者相反)兩個不同的狀態(tài)，這兩

14、個不同的狀態(tài)所占的電角度相等，各為180°。把三個相互錯開600電角度的波形組合在一起，就可以看出究竟能產(chǎn)生多少開關(guān)狀態(tài)。從圖11及表1可以看出，這種組合的霍爾位置傳感器能產(chǎn)生六個不同的開關(guān)狀態(tài)，且所占的電角度都相等，各為60。，這樣的傳感器能滿足上述要求。下面再以一個由相互間隔360電角度的四個霍爾元件a、b、c、d所組成的霍爾位置傳感器為例。從圖12及表2可以看到，這樣的位置傳感器盡管能產(chǎn)生十個開關(guān)狀態(tài)，但其中有兩個是重復(fù)的。換句話說，這個傳感器只能產(chǎn)生八個開關(guān)狀態(tài)，但其中有兩個所占的電角度與其它的不相等，因此這種組合的霍爾位置傳感器就不能滿足上述要求。圖12霍爾元件輸出波形組合

15、圖表2霍爾元件輸出狀態(tài)序列狀態(tài)霍爾元件abcd1100021100311104111151111601117001180001900001000003.4位置傳感器的設(shè)計霍爾位置傳感器的設(shè)計可分為定子設(shè)計和轉(zhuǎn)子設(shè)計。定子設(shè)計主要是確定霍爾元件的數(shù)目、它們之間相互間隔的位置角度以及安裝的位置。轉(zhuǎn)子設(shè)計主要是確定充磁的極對數(shù)。3.4.1定子設(shè)計(a)霍爾元件數(shù)目的確定開關(guān)型霍爾傳感器是一個雙值元件。一個雙值元件僅有“0”和“1”兩種狀態(tài)，兩個雙值元件便有四個狀態(tài)，而n個雙值元件則可組成2n個狀態(tài)。按照這樣的規(guī)律，我們可以根據(jù)電動機的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍爾元件的最少個數(shù)。例如二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的電機

16、，在一個電周期內(nèi)需要六個不同的狀態(tài)，二個霍爾元件產(chǎn)生不了六個狀態(tài)，因而所對應(yīng)需要的霍爾元件數(shù)起碼是三個。而五相十狀態(tài)電機，所需的霍爾元件數(shù)起碼是四個。但是，上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個多位雙值系統(tǒng)能構(gòu)成多少個不同的狀態(tài)，只能為我們在確定霍爾元件的個數(shù)時提供一個大致的范圍，最后還必須使用上節(jié)所述的波形組合法，才能最終確定一個實際的位置傳感器需要多少個霍爾元件。(b)霍爾元件相隔的位置角首先把每個霍爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動機所需要的邏輯分配狀態(tài)數(shù)，然后把它們相互錯開一定的位置角后組合在一起，倘若最終能產(chǎn)生所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，則這個位置角就是可取的。如果分配狀態(tài)是單數(shù)的話，可以把該數(shù)乘以2,再

17、按乘2后的數(shù)進行等分。圖13霍爾元件輸出波形組合圖當(dāng)然所得到的位置角并不是唯一的，圖13及表3是間隔120。電角度的三個霍爾元件的輸出波形組合圖及輸出狀態(tài)表。比較圖11和圖13可以看出，兩種情況都能產(chǎn)生出六個不同的狀態(tài)，因此只要符合上述條件，都能構(gòu)成位置傳感器。在確定霍爾元件間隔距離的過程中，始終是以電角度為單位的。事實上還必須把此轉(zhuǎn)換為機械角度才能在實際無刷直流電動機中進行安裝。這個空間機械角度的大小與傳感器轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)有關(guān)，可以用下式來計算：(6)式中：a空間機械角度；9電角度；p傳感器轉(zhuǎn)子充磁極對數(shù)。(c)安裝位置圖14是一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)時的無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖中可以看到，當(dāng)某一相通電時的定子磁場中心線和永磁轉(zhuǎn)子的磁場中心線重合時轉(zhuǎn)矩為零。而二者成900電角度時則轉(zhuǎn)矩為最大，具變化規(guī)律呈正弦形。通過計算可以得到，C相和A相兩轉(zhuǎn)矩曲線的交點a,離開后通電相A相通電時的定子磁場中心線的位置為30°電角度，而交點a,b之間的距離為120。電角度。因此各相轉(zhuǎn)矩曲線的交點正是換向的最佳位置，位置傳感器就應(yīng)該安裝在該位置上。劉式_圖14三相三狀態(tài)無刷直流電動機的轉(zhuǎn)矩3.4.2轉(zhuǎn)子設(shè)計霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動機的主轉(zhuǎn)子，也可以和主轉(zhuǎn)子分體安裝。如果分體安裝，那么其充磁的極對數(shù)一般設(shè)計成和電動機的主轉(zhuǎn)子一樣，以確保換向節(jié)拍和主轉(zhuǎn)子磁極