无刷直流电动机中的霍尔位置传感器

收稿日期:19990802 永磁无刷直流电机专辑 无刷直流电动机中的霍尔位置传感器蔡耀成(常州微特电机总厂,江苏常州213011)HallPositionSensorsinBrushlessDCMotorCaiYaocheng(ChangzhouMicro&SpecialMotorsGeneralFactory,JiangsuChangzhou213011) 【摘　要】　无刷直流电动机中使用的位置传感器有许多种类,而霍尔位置传感器因具有结构简单,安装方便灵活,易于机电一体化等优点,目前已越来越得到广泛的应用。该文对这类传感器的结构、工作原理、设计原则等方面做较详细的介绍。【关键词】　无刷直流电动机　霍尔位置传感器中图分类号:TM38 文献标识码:A文章编号:1004-7018(1999)05-0014-05【Abstract】　TherearemanypositionsensorsusedinbrushlessDCmotors.Featuringsimplestructure,easytomountandmechano-electronized,Hallsensorsarebecomingmoreandmorewidelyused.Thisarticlewillgiveadetailedintroductiontoconstruction,operationanddesignprinciplesoftheseHallsensors.【Keywords】　brushlessmotor　Hallpositionsensor1前　言位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一,也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程中的位置,将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,以控制它们的导通与截止,使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向,形成气隙中步进式的旋转磁场,驱动永磁转子连续不断地旋转。位置传感器的种类很多,有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点,然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点,目前得到越来越广泛的应用。本文将对这种位置传感器的结构原理,构成原则等作一分析。2霍尔传感器磁敏式传感器是一种以磁场激发的磁敏元器件,它是名目繁多的传感器中重要的一个家族。磁敏传感器的种类很多,有磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁抗元件、方向性磁电元件、霍尔元件、霍尔集成电路,以及利用这些元器件二次集成的磁电转换组件。其中以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器,简称霍尔传感器。2.1半导体中的霍尔效应1879年美国霍普金斯大学的霍尔(E.H.Hall)发现,当磁场中的导体有电流通过时,其横向不仅受到力的作用,同时还出现电压。这个现象后来被称为霍尔效应。随后人们又发现,不仅是导体,而且在半导体中也存在霍尔效应,并且霍尔电势更明显,这是由于半导体有比导体更大的霍尔系数的缘故。众所周知,任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时,都要受到磁场的作用力,该力称为洛伦兹力,其大小可用下式表示:F=qvB(1) 式(1

)表明,洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q,粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。图1是在一长方形半导体薄片上加上电场Ex后的情况。在没有外加磁场时,电子沿外加电场Ex的相反方向运动,形成一股沿电场方向的电流I,如图1a所示。当加以与外电场垂直的磁场B时,运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移,并在该侧面形成电荷积累,如图1b所示。由于该电荷的积累产生了新的电场,称为霍尔电场。该电场使41微特电机　1999年第5期
电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加,霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力,使电子不再发生偏移,从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动,达到新的稳定状态,如图1c所示。然而,与无磁场时不同的是,在半导体两侧产生了一电场EH,这个霍尔电场的积分,就在元件两侧间显示出电压,成为霍尔电压,这就是所谓的霍尔效应。图1　半导体中电子运动的状态示意图图2　霍尔效应原理根据霍尔效应的原理,可制成如图2所示结构的半导体元件霍尔元件。对于一定的半导体薄片,其霍尔电动势E可用下式表示:E=RHIHBd(2)RH=3Π8ΘΛ(3)式中:RH霍尔系数(m3C);IH控制电流(A);B磁感应强度(T);d薄片的厚度(m);Θ材料电阻率(8m);Λ材料迁移率(m2(Vs)。若式(2)中常数项用KH表示,则有E=KHIHB(4)式中:KH霍尔元件的灵敏度[mV(mAT)],KH=RHd。当磁感应强度B和霍尔元件的平面法线成一角度Η时,实际上作用于霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量,即BcosΗ,此时霍尔电势为:E=KHIHBcosΗ(5)上述霍尔元件所产生的电动势很低,在应用时往往要外接放大器,很不方便。随着半导体集成技术的发展,将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块硅外延片上,这就构成了霍尔集成电路。2.2霍尔传感器的分类2.2.1按结构分类霍尔传感器按其结构可分为霍尔元件、霍尔集成电路和霍尔功能组件三大类。2.2.2按功能分类霍尔传感器按其功能和应用可分为线性型、开关型、锁定型三种。(a)线性型　线性型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成,其功能方块图如图3所示。输入为线性变化的磁感应强度,得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、非接触测距、黑色金属检测等。其输出特性曲线如图4所示。图3　功能方框图图4　磁电转换特性曲线(b)开关型　开关型传感器是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度,输出为数字信号。图5是其输出特性曲线。这种开关的导通和截止过程只和外界磁感应强度的大小有关,

而不需要磁场极性的变换。它的磁滞回线相对于零磁场轴是非对称的。图6显示了这种开关电路在交变磁场作用下的输出特性。(c)锁定型　锁定型传感器同样也是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器、输出级等五部分组成,其功能方框图如图7所示。锁定型传感器实质上也是一种开关型器件,与一般霍尔开关的差别在于,它是由双磁极激发的。51无刷直流电动机中的霍尔位置传感器
由于双磁极霍尔锁定器的磁滞回线相对于零磁场图5　输出特性图6　交变磁场下的输出特性图7　锁定型传感器功能方框图轴是对称的,在交变磁场作用下输出波形可得到11的占空比,且不受外界温度及交变磁场峰值大小的影响。图8是双磁极霍尔锁定器的输出特性。从图中可以看到其磁滞回线相对于零磁场轴是对称的。图9显示了这种霍尔锁定器在交变磁场作用下的输出特性,其输出波形的占空比为11。图8　输出特性图9　交变磁场下的输出特性霍尔锁定器的基本工作过程是:当外界磁场方向为正时,霍尔元件的差分输出电压为正,这个电压经放大器放大后作为触发器的触发信号。当信号电压随外界磁感应强度的增强而增加,达到触发器导通电压阈值时,电路的输出随之由高电平变为低电平,此后,如果外界磁感应强度继续增加,触发器维持导通状态不变。由于触发器的导通和截止电压阈值的设计是对称的,所以当外界磁感应强度减弱时,触发器仍维持导通状态。只有当外界磁场改变极性并达到一定强度时,霍尔元件输出的负触发信号达到触发器的截止阈值电压,触发器才由导通跃变为截止,因而磁场的极性每变换一次,电路的输出就完成一次开关转换。3霍尔位置传感器3.1位置传感器的结构霍尔位置传感器和电动机本体一样,也是由静止部分和运动部分组成,即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转,以指示电机主转子的位置,既可以直接利用电动机的永磁转子,也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件,按一定的间隔,等距离地安装在传感器定子上,以检测电机转子的位置。图10为霍尔位置传感器的结构示意图。图10　霍尔位置传感器结构示意图3.2位置传感器的基本功能位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内,产生出所要求的开关状态数。也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S极)的转角,就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数,以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多,则在360°机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。3.3位置传感器的构成原则要构成一个霍尔

位置传感器必须满足以下两个条件:(a)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的,每一个开关状态所占的电角度61微特电机　1999年第5期
应相等。(b)位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。如果位置传感器输出的开关状态能满足以上条件,那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换向状态对应起来,进而完成换向。然而,对于每一种组合的霍尔位置传感器并非都能满足上述要求的。先以一个由相互间隔为60°电角度的三个霍尔元件A、B、C所组成的霍尔位置传感器为例,图11为霍尔元件输出波形组合图,表1是霍尔元件的输出状态表。图11　霍尔元件输出波形组合图表1　霍尔元件输出状态霍尔元件状态序列ABC110021103111401150016000 由前面所述的锁定型霍尔开关元件的原理可知,在一个电周期内,即转子的一对磁极转角内,当其感受N及S二个不同极性磁场的作用时,将呈现出“高电平”及“低电平”(或者相反)两个不同的状态,这两个不同的状态所占的电角度相等,各为180°。把三个相互错开60°电角度的波形组合在一起,就可以看出究竟能产生多少开关状态。从图11及表1可以看出,这种组合的霍尔位置传感器能产生六个不同的开关状态,且所占的电角度都相等,各为60°,这样的传感器能满足上述要求。下面再以一个由相互间隔36°电角度的四个霍尔元件a、b、c、d所组成的霍尔位置传感器为例。从图12及表2可以看到,这样的位置传感器尽管能产生十个开关状态,但其中有两个是重复的。换句话说,这个传感器只能产生八个开关状态,但其中有两个所占的电角度与其它的不相等,因此这种组合的霍尔位置传感器就不能满足上述要求。图12　霍尔元件输出波形组合图表2　霍尔元件输出状态霍尔元件状态序列abcd1100021100311104111151111601117001180001900001000003.4位置传感器的设计霍尔位置传感器的设计可分为定子设计和转子设计。定子设计主要是确定霍尔元件的数目、它们之间相互间隔的位置角度以及安装的位置。转子设计主要是确定充磁的极对数。3.4.1定子设计(a)霍尔元件数目的确定开关型霍尔传感器是一个双值元件。一个双值元件仅有“0”和“1”两种状态,两个双值元件便有四个状态,而n个双值元件则可组成2n个状态。按照这样的规律,我们可以根据电动机的分配状态数确定所需霍尔元件的最少个数。例如二相导通三相六状态的电机,在一个电周期内需要六个不同的状态,二个霍尔元件产生不了六个状态,因而所对应需要的霍尔元件数起码是三个。而五相十状态电机,所需的霍尔元件数起码是四个。但是,上述规律

仅仅是从理论上考虑一个多位双值系统能构成多少个不同的状态,只能为我们在确定霍尔元件的个数时提供一个大致的范围,最后还必须使用上节所述的波形组合法,才能最终确定一个实际的位置传感器需要多少个霍尔元件。(b)霍尔元件相隔的位置角首先把每个霍尔元件所产生的波形等分成电动机所需要的逻辑分配状态数,然后把它们相互错开一定的位置角后组合在一起,倘若最终能产生所要求的开关状态数,则这个位置角就是可取的。71无刷直流电动机中的霍尔位置传感器
如果分配状态是单数的话,可以把该数乘以2,再按乘2后的数进行等分。图13　霍尔元件输出波形组合图表3　霍尔元件输出状态霍尔元件状态序列ABC110121003110401050116001 当然所得到的位置角并不是唯一的,图13及表3是间隔120°电角度的三个霍尔元件的输出波形组合图及输出状态表。比较图11和图13可以看出,两种情况都能产生出六个不同的状态,因此只要符合上述条件,都能构成位置传感器。在确定霍尔元件间隔距离的过程中,始终是以电角度为单位的。事实上还必须把此转换为机械角度才能在实际无刷直流电动机中进行安装。这个空间机械角度的大小与传感器转子充磁的极对数有关,可以用下式来计算:Α=Ηp(6)式中:Α空间机械角度;Η电角度;p传感器转子充磁极对数。(c)安装位置图14是一相导通三相三状态时的无刷直流电动机转矩波形图。从图中可以看到,当某一相通电时的定子磁场中心线和永磁转子的磁场中心线重合时转矩为零。而二者成90°电角度时则转矩为最大,其变化规律呈正弦形。通过计算可以得到,C相和A相两转矩曲线的交点a,离开后通电相A相通电时的定子磁场中心线的位置为30°电角度,而交点a,b之间的距离为120°电角度。因此各相转矩曲线的交点正是换向的最佳位置,位置传感器就应该安装在该位置上。图14　三相三状态无刷直流电动机的转矩3.4.2转子设计霍尔位置传感器的转子可以直接利用电动机的主转子,也可以和主转子分体安装。如果分体安装,那么其充磁的极对数一般设计成和电动机的主转子一样,以确保换向节拍和主转子磁极处在换向位置的时间是同步的。这样可提高平均转矩,同时降低转矩的波动值。4结束语霍尔传感器是名目繁多的传感器中重要的一个家族,因其具有稳定、可靠,频率响应宽、体积小,结构牢固,易于安装等优点,目前已越来越多地被用于无刷直流电动机中。霍尔位置传感器的设计可以采用波形组合法,其构成的方案并非是唯一的,但是只要能满足上述条件,就可以作为无刷直流电动机的位置传感器。参　考　文　献1　叶金虎.无刷直流电动机[M].北京:科学出版社,198

22　张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,199681微特电机　1999年第5期