無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)霍爾位置傳感器的應(yīng)用

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)霍爾位置傳感器的應(yīng)用

1位置傳感器的應(yīng)用位置傳感器是組成無(wú)刷電流系統(tǒng)的三個(gè)主要特征之一，也是其與永全磨損電流系統(tǒng)的主要標(biāo)志。其作用是檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置,將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),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(dòng)機(jī)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(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。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(diǎn),然而由于磁敏式霍爾位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝靈活方便、易于機(jī)電一體化等優(yōu)點(diǎn),目前得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)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敏傳感器的組成磁敏式傳感器是一種以磁場(chǎng)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(gè)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(jiǎn)稱霍爾傳感器。2.1半導(dǎo)體元件的投料1879年美國(guó)霍普金斯大學(xué)的霍爾(E.H.Hall)發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)體有電流通過(guò)時(shí),其橫向不僅受到力的作用,同時(shí)還出現(xiàn)電壓。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)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(shì)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(chǎng)中沿著與磁力線垂直的方向運(yùn)動(dòng)時(shí),都要受到磁場(chǎng)的作用力,該力稱為洛倫茲力,其大小可用下式表示:F=qvB(1)F=qvB(1)式(1)表明,洛倫茲力的大小與粒子的電荷量q,粒子的運(yùn)動(dòng)速度v及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。圖1是在一長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上加上電場(chǎng)Ex后的情況。在沒有外加磁場(chǎng)時(shí),電子沿外加電場(chǎng)Ex的相反方向運(yùn)動(dòng),形成一股沿電場(chǎng)方向的電流I,如圖1a所示。當(dāng)加以與外電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)B時(shí),運(yùn)動(dòng)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(chǎng),稱為霍爾電場(chǎng)。該電場(chǎng)使電子在受到洛倫茲力的同時(shí)還受到與它相反的電場(chǎng)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(chǎng)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(wú)偏移地運(yùn)動(dòng),達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài),如圖1c所示。然而,與無(wú)磁場(chǎng)時(shí)不同的是,在半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生了一電場(chǎng)EH,這個(gè)霍爾電場(chǎng)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)。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(duì)于一定的半導(dǎo)體薄片,其霍爾電動(dòng)勢(shì)E可用下式表示:E=RHIHBd(2)RH=3π8ρμ(3)E=RΗΙΗBd(2)RΗ=3π8ρμ(3)式中:RH—霍爾系數(shù)(m3/C);IH—控制電流(A);B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);d—薄片的厚度(m);ρ—材料電阻率(Ω·m);μ—材料遷移率(m2/(V·s)。若式(2)中常數(shù)項(xiàng)用KH表示,則有E=KHIHB(4)E=ΚΗΙΗB(4)式中:KH—霍爾元件的靈敏度[mV/(mA·T)],KH=RHdΚΗ=RΗd。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾元件的平面法線成一角度θ時(shí),實(shí)際上作用于霍爾元件的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量,即Bcosθ,此時(shí)霍爾電勢(shì)為:E=KHIHBcosθ(5)E=ΚΗΙΗBcosθ(5)上述霍爾元件所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低,在應(yīng)用時(shí)往往要外接放大器,很不方便。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霍夫傳感器的分類2.2.1根據(jù)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交變磁場(chǎng)作用下的磁滯回線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(jí)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(qiáng)度,得到與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系的輸出電壓。可用于磁場(chǎng)測(cè)量、非接觸測(cè)距、黑色金屬檢測(cè)等。其輸出特性曲線如圖4所示。(b)開關(guān)型開關(guān)型傳感器是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)等部分組成。輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)度,輸出為數(shù)字信號(hào)。圖5是其輸出特性曲線。這種開關(guān)的導(dǎo)通和截止過(guò)程只和外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有關(guān),而不需要磁場(chǎng)極性的變換。它的磁滯回線相對(duì)于零磁場(chǎng)軸是非對(duì)稱的。圖6顯示了這種開關(guān)電路在交變磁場(chǎng)作用下的輸出特性。(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(jí)等五部分組成,其功能方框圖如圖7所示。鎖定型傳感器實(shí)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(duì)于零磁場(chǎng)軸是對(duì)稱的,在交變磁場(chǎng)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(chǎng)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(duì)于零磁場(chǎng)軸是對(duì)稱的。圖9顯示了這種霍爾鎖定器在交變磁場(chǎng)作用下的輸出特性,其輸出波形的占空比為1∶1。霍爾鎖定器的基本工作過(guò)程是:當(dāng)外界磁場(chǎng)方向?yàn)檎龝r(shí),霍爾元件的差分輸出電壓為正,這個(gè)電壓經(jīng)放大器放大后作為觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)信號(hào)電壓隨外界磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加,達(dá)到觸發(fā)器導(dǎo)通電壓閾值時(shí),電路的輸出隨之由高電平變?yōu)榈碗娖?此后,如果外界磁感應(yīng)強(qiáng)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)通和截止電壓閾值的設(shè)計(jì)是對(duì)稱的,所以當(dāng)外界磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱時(shí),觸發(fā)器仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)外界磁場(chǎng)改變極性并達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),霍爾元件輸出的負(fù)觸發(fā)信號(hào)達(dá)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(chǎng)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霍夫位置傳感器3.1傳感器轉(zhuǎn)子的安裝霍爾位置傳感器和電動(dòng)機(jī)本體一樣,也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)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(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn),以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置,既可以直接利用電動(dòng)機(jī)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(gè)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。圖10為霍爾位置傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。3.2電機(jī)傳感器的磁極控制位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)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(shuō)電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì)磁極(N、S極)的轉(zhuǎn)角,就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù),以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過(guò)程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)越多,則在360°機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過(guò)程的次數(shù)也就越多。3.3電子鼻置換向的電路設(shè)計(jì)要構(gòu)成一個(gè)霍爾位置傳感器必須滿足以下兩個(gè)條件:(a)位置傳感器在一個(gè)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(gè)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(gè)電周期內(nèi)所產(chǎn)生的開關(guān)狀態(tài)數(shù)應(yīng)和電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)相對(duì)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(guò)一定的邏輯變換將位置傳感器的開關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)的換向狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái),進(jìn)而完成換向。然而,對(duì)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(gè)由相互間隔為60°電角度的三個(gè)霍爾元件A、B、C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。由前面所述的鎖定型霍爾開關(guān)元件的原理可知,在一個(gè)電周期內(nèi),即轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁極轉(zhuǎn)角內(nèi),當(dāng)其感受N及S二個(gè)不同極性磁場(chǎng)的作用時(shí),將呈現(xiàn)出“高電平”及“低電平”(或者相反)兩個(gè)不同的狀態(tài),這兩個(gè)不同的狀態(tài)所占的電角度相等,各為180°。把三個(gè)相互錯(cuò)開60°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(gè)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(gè)由相互間隔36°電角度的四個(gè)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(gè)開關(guān)狀態(tài),但其中有兩個(gè)是重復(fù)的。換句話說(shuō),這個(gè)傳感器只能產(chǎn)生八個(gè)開關(guān)狀態(tài),但其中有兩個(gè)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。3.4改造前的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)霍爾位置傳感器的設(shè)計(jì)可分為定子設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。定子設(shè)計(jì)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(jì)主要是確定充磁的極對(duì)數(shù)。3.4.1雙值系統(tǒng)安裝位置(a)霍爾元件數(shù)目的確定開關(guān)型霍爾傳感器是一個(gè)雙值元件。一個(gè)雙值元件僅有“0”和“1”兩種狀態(tài),兩個(gè)雙值元件便有四個(gè)狀態(tài),而n個(gè)雙值元件則可組成2n個(gè)狀態(tài)。按照這樣的規(guī)律,我們可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)的分配狀態(tài)數(shù)確定所需霍爾元件的最少個(gè)數(shù)。例如二相導(dǎo)通三相六狀態(tài)的電機(jī),在一個(gè)電周期內(nèi)需要六個(gè)不同的狀態(tài),二個(gè)霍爾元件產(chǎn)生不了六個(gè)狀態(tài),因而所對(duì)應(yīng)需要的霍爾元件數(shù)起碼是三個(gè)。而五相十狀態(tài)電機(jī),所需的霍爾元件數(shù)起碼是四個(gè)。但是,上述規(guī)律僅僅是從理論上考慮一個(gè)多位雙值系統(tǒng)能構(gòu)成多少個(gè)不同的狀態(tài),只能為我們?cè)诖_定霍爾元件的個(gè)數(shù)時(shí)提供一個(gè)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(gè)實(shí)際的位置傳感器需要多少個(gè)霍爾元件。(b)霍爾元件相隔的位置角首先把每個(gè)霍爾元件所產(chǎn)生的波形等分成電動(dòng)機(jī)所需要的邏輯分配狀態(tài)數(shù),然后把它們相互錯(cuò)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(gè)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,再按乘2后的數(shù)進(jìn)行等分。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(gè)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(gè)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(guò)程中,始終是以電角度為單位的。事實(shí)上還必須把此轉(zhuǎn)換為機(jī)械角度才能在實(shí)際無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中進(jìn)行安裝。這個(gè)空間機(jī)械角度的大小與傳感器轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)有關(guān),可以用下式來(lái)計(jì)算:α=θp(6)α=θp(6)式中:α—空間機(jī)械角度;θ—電角度;p—傳感器轉(zhuǎn)子充磁極對(duì)數(shù)。(c)安裝位置圖14是一相導(dǎo)通三相三狀態(tài)時(shí)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖。從圖中可以看到,當(dāng)某一相通電時(shí)的定子磁場(chǎng)中心線和永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)中心線重合時(shí)轉(zhuǎn)矩為零。而二者成90°電角度時(shí)則轉(zhuǎn)矩為最大,其變化規(guī)律呈正弦形。通過(guò)計(jì)算可以得到,C相和A相兩轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)a,離開后通電相A相通電時(shí)的定子磁場(chǎng)中心線的位置為30°電角度,而交點(diǎn)a,b之間的距離為120°電角度。因此各相轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)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。3.4.2轉(zhuǎn)子單體安裝霍爾位置傳感器的轉(zhuǎn)子可以直接利用電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)子,也可以和