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