无刷直流电动机中的霍尔位置传感器

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)

Ha ll Positi on Sen sors i n Brushless DC M otor

Cai Y aocheng

(Changzhou M icro&SpecialM otors General Factory,J iangsu Changzhou213011)

【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:T M38 文献标识码:A

文章编号:1004-7018(1999)05-0014-05

【Abstract】　T here are m any positi on sens ors used in brush less DC motors.Featuring si m p le structure,easy to mount and m echano-electronized,H all sens ors are becom ing more and more w idely used.T h is article w ill give a detailed introducti on to constructi on,operati on and design p rinci p les of these H all sens ors.

【Keywords】　brush less motor　H all positi on sens or

1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.H all)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E x 后的情况。在没有外加磁场时,电子沿外加电场E x 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

收稿日期:19990802

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E H ,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 =R H I H B d

(2)R H =

3Π8

ΘΛ(3)

式中:R H

霍尔系数(m 3 C );I H 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(m 2

(V s )。若式(2)中常数项用K H 表示,则有

E =K H I H B

(4)

式中:K H

霍尔元件的灵敏度[mV

(mA T )],K H =

R H

d

。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B cos Η,此时霍尔电势为:

E =K H I H B cos Η(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。