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霍尔传感器的使用

 一. 霍尔传感器原理

    霍尔传感器是一种磁传感器。 它检测磁场及其变化,可用于与磁场有关的各种情况.。 基于霍尔效应,霍尔传感器是由霍尔组件及其辅助电路组成的集成传感器。 霍尔传感器广泛应用于工业生产、交通和日常生活。

 1.霍尔效应

    图1.1所示,磁感应强度为b的均匀磁场垂直于半导体薄片的两端,电流I通过半导体薄片,将产生电势差为uh的霍尔电压,它们之间的关系如下:QQ截图20181018151051.png

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 图1. 1霍尔效应原理图

    在式中,d是薄片厚度,k是霍尔系数,其大小与薄片材料相关联。

    1879年,德国物理学家hall在研究磁场中载流导体的强度性质时发现了这种效应,称为霍尔效应。

    2.霍尔元件

    根据hall效果,使用半导体材料制造的元件称为hall元件.。 由于其对磁场的敏感性、简单结构、体积小、频率响应能力强、输出电压波动大、寿命长,因此在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛应用。

    3.霍尔传感器

    由于霍尔元件产生的电势差异很小,因此霍尔元件通常与放大器电路、温度补偿电路和电压稳定供电电路整合在一起,称为霍尔传感器。

 1.2.png1.3.png

       图1.2霍尔1传感器外形                       图1.3个霍尔传感器功能图

    霍尔传感器(也称为霍尔集成电路)形状较小,如图1.2是其中一种型号的外形图,其功能如图1.3。

   4.霍尔传感器分类

    霍尔传感器分为线性霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种类型。

    1)线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,它输出模拟量。

     2)开关霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差动放大器、斯密特触发器和输出电平组成,输出数字量。

     5.霍尔传感器的特性

    1 )线性霍尔传感器特性

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                                           图1.4 线性霍尔传感器特性图

   输出电压与附加磁场强度成线性关系,如图1.4所示,可以看出B1到B2的磁感应强度范围线性度较好,超过该范围时磁感应强度饱和。

     2 )开关霍尔传感器特性

    图1.5所示,bop是工作点“开”的磁感应强度,BRP是放电点的磁感应强度“关”

 1.5.png

                                           图1. 5开关霍尔传感器特性

    当额外的磁感应强度超过bop动作点时,传感器输出的电平较低,当磁感应强度低于bop动作点时,传感器输出电平保持不变,直至其降到BRP释放点,传感器从低电平切换到高平。 bop和BRP之间的偏移使交换机操作更加可靠。

    还有一个类型开关霍尔传感器 “锁键型”其特征见图1.6。

 1.6.png

                                       图1.6锁键型霍尔传感器特性 

   当磁感应强度超过bop触发点时,传感器输出会从高电平切换到低电平,在外部磁场移除后,其输出状态保持不变(即锁定状态). 必须将反向磁感应强度应用于BRP,以使电平发生变化。

二. 霍尔传感器在永磁无刷电机中的应用

   直流电机虽然具有出色的转速控制和起动特性,但由于电动刷子和逆变器的存在,需要定期维护,可能会产生火花和电磁干扰,从而限制了其范围。近年开发的无刷直流电机是一种新型直流电机,旨在克服变频器与刷间的滑动接触。发动机只采用电子开关而不是机械开关与刷直流电机、转子位置传感器代替电动刷、电子开关电路代替机械逆变器,仍具有电压调节调速直流电机的机械特性,改变占用比。

   永磁无刷直流电机的基本组成应包括三个部分:电机机体、反相部分和转子位置传感器是典型的机电一体化产品,见图2.1。转子位置传感器是直流电机不可缺少的三个主要组件之一。

                      图2.1 

2.1.png


    一般有两个方式让我们用霍尔传感器来形成一个位置传感器。 第一种方法是将霍尔传感器粘贴到发动机末端盖的内表面,并在霍尔传感器附近安装一个与发动机轴同轴的永久磁铁,并与霍尔传感器保持一定间隔。

 第二种方法是使用p将霍尔传感器直接粘贴到定子铁芯表面或靠近铁芯的线圈末端?发动机转子上的永磁体作为传感器的永磁体,转子位置可根据霍尔开关输出信号确定。

    对于无二相led星三相刷直流电动机,三个霍尔开关在空间中以120度电角相互隔开,传感器永磁体的极宽为180度电,因此电机转子转动时,三个霍尔开关交替发出三个信号。

 霍尔开关的安装精度对直流电机无刷运行性能影响很大. 安装时,不仅要确保三个霍尔开关在空间中彼此之间的电角相差120度,而且霍尔开关和线圈之间的相对位置正确。

    三相六状态两相导通无刷直流电动机的霍尔位置传感器相对于感应线圈和转子磁级的相对位置如图2.2所示,三个霍尔开关HA、HB和HC交换机分别位于三相线圈的中心线上。

     三个位置传感器输出信号与三相电感线圈的电反应电位之间的相位关系如下图所示。可以看出,在一个电力周期内,有六种不同的三通道位置信号组合,分别对应于电机的六种工作状态。

 

2.2.png                    2.3.png

 图2.2霍尔传感器相对于感应线圈和磁极的相对位置                 图2.3位置信号与反电势相位的关系


 三. 应用示例

 在某电机中,应用霍尔传感器研制无刷永磁直流电机效果良好。 考虑到电枢反应对霍尔传感器位置检测精度的影响,第一种方法是单独安装一套与发动机同轴的永磁体作为传感器的永磁体,从而提高检测精度。

 霍尔传感器的安装精度至关重要,但制造和安装导致的误差是不可避免的。 位置调整前后电机电流波形如图3.1. 图3.2如所示。

 3.1.png 3.2.png

 图3.1霍尔传感器位置调整前的波型                           图3.2调节霍尔传感器位置后的波型


四. 结论性意见

 无刷直流电机中使用霍尔元件位置传感器,具有结构简单、性能可靠、成本低的优点。


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