霍尔传感器原理

功能与简介：
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。

两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为
U=K·I·B/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。

由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。

霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如右图所示。

磁场由磁钢提供，所以霍尔传感器和磁钢需要配对使用。

霍尔传感器检测转速示意图如下。

在非磁材料的圆盘边上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘外缘附近。

圆盘每转动一圈，霍尔传感器便输出一个脉冲。

通过单片机测量产生脉冲的频率就可以得出圆盘的转速。

备注：当没有信号产生时，可以改变一下磁钢的方向，霍尔对磁钢方向有要求。

没有磁钢时输出高电平，有磁钢时输出低电平。

接线图：
测速原理图：
产品图片和管脚图：
黄长贵(德力西变频器)
摘要：本文介绍了霍尔电流传感器在通用变频器中的作用，分析了设置传感器的类型、方式、目的和需求，并介绍了传感器的工作原理及作用。

关键词：霍尔电流传感器、变频器。

引言
现今，新型功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频的电流波形的检测。

为了自动检测和显示电流，并在过流、过压等危害情况发生时具有自动保护和更高级的智能控制，就必须使用具有高速度，高精度的检测、采样和保护的霍尔电流传感器。

霍尔电流传感器模块，是近十几年发展起来的测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器。

1、变频器的基本工作原理及结构
本文所述的变频器是指适用于工业通用电机和变频电机的普通通用变频器。

此类变频器由于工业领域的广泛使用已成为变频器的主流。

一般异步电机转速与同步转速存在一个滑差关系，调速的方法可改变电机定子频率f、电机定子的绕组极对数P、转差率S其中任意一种达到，对异步电机最好的方法是改变频率f，实现调速控制。

只要转差率不太大，可以近似认为转速n与f成正比，这就意味着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。

由以上分析可知通用变频器对异步电机调速时，输出频率和电压是按一定规律改变的，在额定频率以下，变频器的输出电流不变，输出电压随输出频率升高而升高，即所谓变压变频调速（VVVF）。

而在额定频率以上，电压并不变，频率的变化和输出电流成正比。

着变频器应用越来越广泛，变频器的保护装置显得越来越重要。

变频器一般有过电流、过电压、过载、缺相等保护，主要由不同功能的传感器采样到不同的模拟值，经过变换电路转换成单片机适用的信号，由单片机来完成各种保护。

其中电流传感器在变频器里的作用最为重要，通过它可以精确测定到当前变频器的电流，对于变频器的过电流、过载保护相当重要。

电流传感器在变频器里的基本结构流程如下图：
图1 电流传感器在变频器里的基本结构流程
2、霍尔电流传感器在变频器中的应用
在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场,即可测出产生这个磁场的电流的量值。

由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。

因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个
具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。

因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。

在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。

由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

霍尔电流传感器按其工作模式可分为直接测量式和零磁通式，在变频器中由于需要精准的控制及计算，因此选用了零磁通方式。

将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IoN1=IsN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：
Io=Is(N2/N1)
式中，I1为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流，N1为初级绕组的匝数，I2为补偿绕组中的电流，N2为补偿绕组的匝数。

由上式可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Io。

霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。

即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。

因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。

检测过程中，检测电路与被检电路互不景响。

图2 霍尔工作原理
图３电流传感器在变频器里的工作流程
3、霍尔器件在小功率变频器上与电阻采样方式的比较
现阶段，小功率变频器使用的电流检测技术比较流行的有两种，一种是采样大功率精密电阻来进行电流采样，通过运放电路输入到MCU的检测方法（简称电阻采样方式），另一种是采样霍尔传感器方式，通过霍尔电流传感器输出的电压信号，经过处理后输入到MCU的检测方法。

（简称霍尔采样方式）
电阻采样方式的最大优点就是成本低，适用性好，可以根据不同情况来设计自己的电路，达到最佳效果。

但是其缺点也很多，最主要的是响应速度慢，运算电路比较多，容易受到干扰，还有就是大功率精密电阻的温漂很严重，在一些特定应用场合不适用。

霍尔采样方式的优点是：响应时间短，温漂小，检测出来的电路线性度很好，而且外部应用电路简单，可靠耐用，缺点就是价格偏高，而且体积偏大。

在小功率变频器应用中，霍尔采样方式有着明显的优势，随着霍尔电流传感器的不断发展，出现了如ASIC模块化的IC技术，霍尔器件内部电路的多功能化等等，使霍尔电流传感器的体积不断缩小，价格也越来越合理。

通过不断改进，霍尔电流传感器在小
功率变频器里的优势越来越明显，应用也越来越广泛。

图4 电阻采样方式在变频器里的工作流程
图5 霍尔采样方式在变频器里的工作流程
4、LEM霍尔电流传感器在小功率变频器里的应用优势以及独有技术
ASIC技术
ASIC（Application Specific Integrated Circuit ）是指在一块专用芯片中集成电路, 实现完整的电路功能。

从根本上说，ASIC是一种专为某种特定应用而制造的芯片。

ASIC可以将需要许多芯片完成的工作集成到一个单独的、体积更小、速度更快的模块上，以减少制造和支持费用，同时提高了使用ASIC设备的速度。

5V单电源供电
由于采用了ASIC技术，LEM在设计应用模块的时候采用了5V单电源供电的运算系统，替换了传统的±15V供电的内部运算放大器，大大方便了设计时候与MCU或DSP 的电压等级兼容。

这个设计不仅方便了用户使用，也节约电流传感器的控制口线，为补偿系统节约了宝贵的脚位。

电压参考系统
ASIC可以工作在自己内部精确固定的内部参考电压（2.5V），也可以工作在外部参考电压（Vref），外部参考电压在2V～2.8V之间。

在应用内部参考电压的时候，需要在此管脚单立并最少接入200kΩ的负载阻抗。

这个参考电压可以在任何时候被MCU监控补偿传感器的初始偏置。

外部参考电压通常被用来与参考管脚互联。

这个外部参考可以来自MCU或者ADC。

MCU可以通过ASIC实时检测此参考（可以随时补偿其漂移）。

将参考管脚连接到外部参考电压时，外部参考电压范围在2V～2.8V之间，而传感器的测量的最大范围是：
Vout＝Vref±0.625×I P/I PN
由于电流最大测量值为额定的3倍，所以在最大输出的电压值约在0.5V～4.5V之间，所以当外部参考电压为2V的时候，测量范围是：
正：4.5V－2V=2.5V 负：0.5V－2V=－1.5V
所以，此时的负极测量范围无法达到满量程。

同样的：当外部参考电压为2.8 V时，测量范围是：
正：4.5V－2.8V=1.7V 负：0.5V－2.8V=－2.3V
所以，此时的正极测量范围也无法达到满量程。

因此外部电压参考是个很灵活的设置，在一些特定使用条件下，可以调节其外部参考电压来达到抑止温漂和增益的目的。

但是，通过上面计算，可以看出，在调节到极限偏置的时候，是会牺牲微量的过载能力的。

dv/dt噪声的反应特征
ASIC的设计具有高度EMC性能，对dv/dt有着高度的免疫和抵抗性，相对常规的电流传感器对环境的影响更小。

在变频器里通常dv/dt是由高速开关器件（IGBT）造成的。

在高达20kHZ的频率下，对变频器的传感器产生比较大的干扰，严重的时候会影响变频器过电流保护的误动作，应用ASIC的技术的传感器就可以达到很好的设计效果。

HXS系列传感器在小功率变频器里的应用
基于以上优点，LEM的HXS系列传感器（应用ASIC技术）在小功率变频器里应用，对于常规技术的传感器有着一定的先天优势。

偏置漂移0.075%/K 0.005%/K 0.032%/K
线性度1% 1% 0.5%
增益漂移0.1%/K 0.1%/K 0.05%/K
相应时间@
3us 3us 5us 90% of I PN
噪声10mVpp 10mVpp 20mVpp（高频）
由于小功率变频器的载波频率（10kHZ～20kHZ）相对大功率变频器（3kHZ～5kHZ）
来说一般都较高，所以对传感器的EMC性能有比较高的要求。

拥有ASIC技术的HXS
系列传感器将拥有很大的优势，并且，小功率变频器由于市场需求量大，批量生产程度
化高，就要求其故障率必须在一个很低的范围内。

因此，对于小功率变频器的保护尤其
重要，除了小功率变频器最重要的短路保护，还必须提高其电流的精确度，应当有效抑
制电流的温漂和扰动，所以HXS系列传感器有着独特的优势，应用其参考电压设置，
可以达到理想的效果。

图6 HXS系列霍尔电流传感器的应用图
LEM公司的HXS系列电流传感器是单端供电0/5V，可以输出内部参考电压Ref输出模式；外部电源给传感器提供参考电压,即Ref输入模式；高温度稳定性和微小温度漂移；低能量损耗；快速的响应时间，宽广的测量范围；易于安装；是有竞争力且高性价比的成本控制解决方案。

参考文献
陈显舟,王培清,周伟松晶闸管智能模块中的微型霍尔电流传感器的设计电力电子
技术2004/05
霍尔电流传感器工作原理
1、直放式（开环）电流传感器（CS系列）
当原边电流I P流过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V S精确的反映原边电流I P。

一般的额定输出标定为4V。

2、磁平衡式（闭环）电流传感器（CSM系列）
磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所
产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。

这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。

当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is
来测试Ip。

当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。

被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。

一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。

经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。

从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。

因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。

3、霍尔电压（闭环）传感器（VSM系列）
霍尔电压传感器的工作原理与闭环式电流传感器相似，也是以磁平衡方式工作的。

原边电压V P通过限流电阻Ri产生电流，流过原边线圈产生磁场，聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件输出信号控制的补偿电流I S流过副边线圈产生的磁场进行补偿，其补偿电流I S精确的反映原边电压V P。

4、交流电流传感器（A-CS系列）
交流电流传感器主要测量交流信号灯电流。

是将霍尔感应出的交流信号经过AC-DC及其他转换，变为0～4V、0～20mA（或4～20mA）的标准直流信号输出供各种系统使用。

浅析交-直-交电压型变频器的内部结构
0、引言
交流变频调速技术发展至今已有几十年的历史。

低压变频
器构成的交流调速系统，因其技术上的不断创新，使系统在性
能上不断地完善，并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得
到了广泛的应用。

交-直-交电压型变频器是目前市场上低压变
频器的主要形式，本文简要对该变频器内部结构进行剖析。

1、电路结构框图
交直交电压型变频器主要由整流单元（交流变直流）、滤
波单元、逆变单元（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检
测单元、控制单元等部分组成的。

图1 变频器电路结构框图
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3、各单元电路及原理
3.1 整流单元
整流单元用于电网的三相交流电变成直流。

可分为可控整流和不可控整流两大类。

可控整流由于存在输出电压含有较多的谐波、输入功率因数低、控制部分复杂、中间直流大电容造成的调压惯性大相应缓慢等缺点，随着PMW技术的出现可控整流在交直交变频器中已经被淘汰。

不可控整流是目前交直交变频器的主流形式，它有2种构成形式，6支整流二极管或6支晶闸管组成三相整流桥。

图2 6支二极管构成的三相
桥式整流电路
由6支二极管构成的三相桥式整流电路，交流侧有控制主回路通断的接触器。

图3 6支晶闸管构成的
三相桥式整流电路
由6支晶闸管构成的三相桥式整流电路，晶闸管只用于控制通断不控制直流电压的大小。

3.2 滤波单元
滤波单元主要采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一种内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这是电压型变频器的一个主要特征。

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3.3 逆变单元由IGBT模块构成
图3 由IGBT模块构成的逆变单元及实物
IGBT模块中内置反并联二极管，用于反馈电动机制动运行时产生的能量
图4 IGBT模块中内置反并联二极
管
3.4 制动单元
制动单元由IGBT和能耗电阻组成。

当电动机由电动状态转入制动运行时，电动机变为发电状态，其能量通过逆变电路中的反馈二极管流入
直流中间回路，使直流电压升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电
压。

为了限制泵升电压给直流侧电容并联一个由电力晶体管和能耗电阻
组成的泵升电压限制电路。

当泵升电压超过一定数值时，使IGBT导通，
把电动机反馈的能量消耗在电阻上。

3.5 驱动单元
驱动单元根据控制单元的指令对IGBT进行驱动。

IGBT栅极驱动电路有多种形式。

按照驱动电路元件的组成可分为分立元件组成的驱动电
路和集成化的驱动电路。

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图5 IGBT驱动电路
上图为用光耦合器、三极管等分立元器件构成的IGBT驱动电路。

当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶体管V2截止，V3导通输出＋15V驱动电压。

当输入控制信号为零时，VLC截止，V2、V4导通，输出－10V
电压。

IGBT的集成栅极驱动器种类繁多,几乎各生产IGBT模块的公司都推
出了自己的配套驱动器。

图6 集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图
上图为由集成电路TLP250构成的驱动器及TLP250的管脚图。

TLP250内置光耦的隔离电压可达2500V，上升和下降时间均小于0.5μs，输出电流达0.5A，可直接驱动50A/1200V以内的IGBT。

外加推挽放大晶体管后，可驱动电流容量更大的IGBT。

TLP250构成的驱动器体积小，价格便宜，是不带过流保护的IGBT驱动器中较理想的选下图为由EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路，EXB8..Series 集成芯片是一种专用于IGBT的集驱动、保护等功能于一体的复合集成电路。

广泛用于逆变器和电机驱动用变频器、伺服电机驱动、UPS、感应加
热和电焊设备等工业领域。

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5#大中小发表于 2010-2-4 16:28 只看该作者
图7 EXB8..Series集成芯片构成的驱动电路
3.6 检测单元
控制系统反馈量检测的精确程度，从某种意义上说，很大程度上决定了控制系统所能达到的控制品质。

检测电路是变频调速系统的重要组成部分，它相当于系统的“眼睛和触觉”。

检测与保护电路设计的合理与否，直接关系到系统运行的可靠性和控制精度。

3.6.1 电流检测方法
电流信号检测的结果可以用于变频器转矩和电流控制以及过流保
护信号。

电流信号的检测主要有以下几种方法。

（1）直接串联取样电阻法
这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，不隔离，只适用于小电流并不需要隔离的情况，多用于只有几个kVA的小容量变频器中。

（2）电流互感器法
这种方法损耗小，与主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄(主要用来测工频)，且有一定滞后，多用于高压大电流的场合。

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6#大中小发表于 2010-2-4 16:29 只看该作者
图8 电流互感器
上图中，R为取样电阻，取样信号为:
Us=I2R=I1R/M
式中，M为互感器绕组匝数。

（3）霍尔传感器法
它具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测
量电路能量等优点。

其原理如下图所示。

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图9 霍尔传感器原理图
上图中，Ip为被测电流，这是一种磁场平衡测量方式，精度比较高，若LEM的变流比为1:M，则取得电压Us也符合式Us= IpR/M。

在通用变
频器中霍尔传感器已成为电流检测的主力。

3.6.2 电压检测方法
电压信号检测的结果可以用于变频器输出转矩和电压控制以及过压、欠压保护信号。

电压信号的检测可用电阻分压、线性光耦、电压互
感器或霍尔传感器等方法。

（1）电阻分压法:用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。

该方法使用简单，但其精度受外界环境(主要是温度)影响较
大，且不能实现隔离，如果作为模拟反馈量进行A/D转换，需要加入隔
离放大器。

该方法适用于低压系统。

（2）电压互感器法:与电流互感器类似，只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。

（3）霍尔电压传感器法:原理与霍尔电流传感器类似，如下图所示。

图10 霍尔电压传感器
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（4）线性光耦法: 霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的特点，但是在小功率的变频器中，采用霍尔传感器的成本昂贵，而采用高性能的光耦则可降低成本。

像HP公司生产的线性光耦HCNR200/201等具有很高的线性度和灵敏度，可精确地传送电压信号。

图11是一个用HCNR200/201测量电压的实际电路，光耦实际上起直流变压器的作用。

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图11 用HCNR200/201测量电压的实际电路
上图中，原边运放采用的是单电源供电的LM2904，副边运放采用精密运放OP07。

在测量直流高压时，应先采用电阻分压降压，以得到一个未经隔离的低压直流信号，然后经过线性光耦隔离将其变换成与之成正比的直流电压送入A/D转换测量。

另外，完全可以利用光耦的线性和隔离功能结合直接串联分流器测量电流。

线性光耦法是一种测量变频器交流输出电压的简单而有效的方法。

高速数字光耦6N136，6N137，HCPL3120，PC900V等具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL电平兼容等优点，在数据信号处理和信号传输中应用的十分广泛，可用来检测变频器交流输出电压。

下图所示为一种简单实用的用线性光耦实现的变频器输出电压检测的电路。

图12 利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器
利用光耦6N137和电阻降压电路采集逆变器U、V、W三相输出对直流环节负极N的电压信号，这样三相信号都变为单极性SPWM电压脉冲，便于与单向光耦匹配。

单极性SPWM脉冲电压经小电容滤波后便成为如下图所示的比较平滑的正弦半波信号。

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