霍尔在无刷直流电机控制电路中的研究及应用

霍尔在无刷直流电机控制电路中的研究及应用

习涛

TCL空调器(中山)有限公司  广东中山   528427

摘要：本文阐述了霍尔器件在直流无刷电机中作为换相敏感元件的应用。无刷直流电机的用途不同，考虑所用的霍尔容件就有所不同,同时霍尔效应也是非常重要的磁电效应，霍尔效应原理广泛用于非电量测量、自动控制与信息处理等方面，本文结合目前国内外在无刷直流电机应用霍尔位置传感器的基本特性和霍尔位置传感器必须满足的条件，对于不同的霍尔器件用进行了阐述。

关键词：无刷直流电机；霍尔效应；霍尔器件

Research and Application of DC brushless aluminum wire motor

XI TAO

TCL Air-Condition(Zhongshan) Co.,Ltd  Zhongshan  528427

Abstract：This paper describes the application of hall device as commutation sensitive element in Brushless DC motor. The use of Brushless DC motor is different. Considering the different Hall components used, Hall effect is also a very important magnetoelectric effect. The principle of Hall effect is widely used in non electric quantity measurement, automatic control and information processing. This paper combines the basic characteristics of hall position sensor applied to brushless DC motor at home and abroad and the conditions that hall position sensor must meet, Different Hall devices are described. key word

Keywords：Brushless DC motor; Hall effect; hall element

1 引言

近年来无刷直流电机是指具有直流电机外部特征的电子换向电机，有位置传感器的电机是其最基本的一种形式，霍尔传感器以其优良的特性近几十年来被广泛地应用。它所具备的普遍特征有：长寿命、高速度、固定的工作点输入、兼容的逻辑输入和输出、宽范围的工作温度范围、可重复的工作特性等，目前国内外在无刷直流电机的控制系统中也越来越多地运用霍尔传感器作为电机的位置传感元件。文中仅对霍尔器件在无刷直流电机中的应用加以叙述及分析。

2霍尔器件

2.1霍尔器件的分类

位置传感器一般分为霍尔器件和霍尔元件两类，其区别在于霍尔器件除了有敏感磁场的霍尔外，还集成有对其输出整形、放大的电路。霍尔器件又分为开关型霍尔器件和线性霍尔器件。开关型霍尔器件按工作特性又分有单极性霍尔器件和双极性霍尔器件（即锁存型霍尔器件）。开关型霍尔器件按电输岀特性分又可分为单输出的霍尔器件和双输岀的霍尔器件，其中单输出的電尔器件包括有单极型和双极型。

霍尔器件感应转子磁场的变化而输出高低变化的数字电平，利用其霍尔器件的输 出在电路上进行逻辑处理后，经功放管放大的电流可直接驱动电机的转动。这种位置传感器 较适应于速度较高的简单控制系统中。对于低速的控制可采用线性霍尔器件，利用霍尔器件 的线性输出所反映的转子每极下的位置变化，可做到较为精确的控制。

3开关型霍尔器件

3.1对电机旋转方向的影响

双输出型的霍尔器件应用较少,在无刷直流电机中应用较多的仍是单输出的霍尔器件。 单极型的霍尔器件主要敏感磁场的一个极性（即S极）。例如当进入霍尔器件敏感区的某一方向的磁场逐渐增强到一定值后，霍尔器件的输出翻转为低；直至此方向的磁场值减弱到一定值后，霍尔器件的输岀翻转为高；而当进入霍尔器件敏感区的磁场方向改变时霍尔器件的输出仍保持为高，直至磁场的方向再次反向且增加到一定值时，霍尔器件的输出才会再次翻转。 在如图la中示出了单极型霍尔器件的磁电转换待性。由于这种器件的工作方式势必会带来 电机旋转过程中霍尔输岀脉冲宽度的差异，因此在正、反转的电机中不宜采用，但对于单向旋 转的电机而言，可在器件机械安装位置的相差上来弥补其输岀脉宽的差异而引起的绕组导通 角的偏差。以星形三相三状态的电机为例，在图2a中示出了单极性霜尔器件在正、反转时引起的电角度的偏差。由图中可知，电机单方向旋转时,X电角度偏差可靠器件的机械安装位置来予调准。但正、反转时产生的相位差方向相反，靠机械零位的调整已起

双极型的霍尔器件敏感两个方向的磁场变化。当进入霍尔敏感区的磁场方向发生变化 时, 霍尔器件的输出就会发生翻转。此种霍尔器件很适合应用于正反转的电机中，虽然其输出 同样会有角度的偏移，但琳机械的零位调整是完全可以补偿的。如图2b中所示，正反转引起的导通角的偏移为单方向的，因此完全可补偿掉。

3.2霍尔器件在电机组件中的位置

在不影响电机绕组在定子线包中分布的情况下，探尔器件可安装于电机定子线包间，敏感 主磁场的变化，只要电机主磁场的场强大于霍尔器件的敏感阀值即可。但安装于定子线包内的霍尔器件其机械位置一旦确定下来是无法再调节的，这就不仅要求加工的精度要好，而且在 角度値差上要有预先的调整。另一种方法就是在不影响其它性能的情况下将主磁场沿轴向方 向加长，使霍尔器件安装于另一组件中，敏感与主磁场相同的磁场。

当电机定子线包中的绕组较密且无处安放霍尔器件的情况下可将霍尔器件安放于主磁场 的垂直法线处来敏感工作磁场的漏磁场。实验表明当电机永磁体产生的主磁场为0.5T左右 时，其磁体端部的漏磁场也有0.2T。在距磁体端部一定距离处（一般小于7mm左右）磁场的 强度及磁场的畸变均可满足开关霍尔器件的要求（开关霍尔器件敏感磁场的阈值一般均在 20mT以下），霍尔器件均可输出较好的换相波形。在文中对霍尔器件敏感漏磁场的工作方式也做了分析与实验。

3.2.1对电机启动的影响

在小型力矩电机中霍尔器件安装于主磁场中，由于霍尔器件表面及芯片内金属材料会使 其与磁场产生作用力而形响电机的启动力矩值。消除此影响的较好方法是在安放霍尔器件的 位置时将其布置为受力的合力矩为零的情况。如果在逻辑情况不允许时应考虑将其放置于敏 感漏磁场的位置上以滅小影响，但这不是最终解决的方法，我们希望将来能有廉价的不导磁封 装的霍尔器件来彻底解决此问题。

3.2.2电机中霍尔器件的相对安装位置

霍尔器件的相对位置取决于电机的极对数，假设电机的极对数为p,绕组线圈的导通电角

度为a,则每相霍尔器件的相对机械角度为:

其中n为任意整数（包0）。

例如星形三相三状态的电机（,）,p = 8,就可以有很多种的安装方法

其中，第1和第2种的安装由于在空间上的不对称，会使电机产生额外的启动力矩。而第3种 在理论上就可避免附加的启动力矩。

3.2.3电机中霍尔器件与定子绕组的相对位置

霍尔器件作为电机转子位置的传感器，除了与转子的极对数有关外,还与电机定子有关。 一般霍尔器件安放于各相带绕组的中间位置。

对于单层绕组：a、当每极每相槽数为奇数时，霍尔器件可放置在各相带的中间植内。b、当每极每相槽数为偶数时:转子磁钢可稍作长些，霍尔器件可放置在各相带的中间位置，绑在绕组的端部;要么将霍尔器件安放在与相带中心位置偏移1/2槽距的位置，但这种安置方法会影响正反转电机在不同旋转方向上的性能。

对于双层短距绕组，霍尔器件可以放置在极相组的中间位置，其正反转工作性能相同。

4线性霍尔器件

目前国内外的线性霍尔器件所做到的饱和腹场强度的最大值为0“25T（霍尼韦尔公司SS94A2D),-般的线性测量范围在(0.1T~ +0.2T之间，因此不适合应用于较强的磁场中 (如稀土永磁体的电机磁场强度一般在0.5T左右)，但对磁场较弱的小型电机却很合适。

将两个线性霍尔器件安置在相差半个极距的机械角度位置上，其输出既为互差电角度为 90°的近似正弦信号。这种霍尔器件的使用可实现旋转变压器的测角原理，相应的装置可直接 替代结构复杂的旋转变压器机构，而输出可直接接旋转变压器输出处理电路⑶。

对于极对数p= 1的电机，运用线性霍尔器件作为换相装置不仅可以检测到转子的相对位 置，而且可以检测出转子的绝对位置，最终不仅可大大简化系统的物理结构，而且可明显提高电机在低速段的控制性能。对于多对极的电机而言，用一组霍尔器件仅能检测出转子的相对位置变化，但通过额外增加的一对转子磁场和霍尔器件就可检测出转子的绝对位置(如将转子 与定子轴向均加长用以安装额外增加的一对极磁极和霍尔器件)，从而做到更为精确的位置与转速控制。

对于在强工作磁场下的应用，也可利用强磁场较大的漏磁磁场测量转子位置。例如图3, 图3a中的两路输出为放置在同一径向方向下的两个线性霍尔器件，一个放在强工作磁场中； 另一个放在距磁体的端部为7mm左右的位置上。可以看出其敏感漏磁的霍尔器件也基本反 映了转子的位置。在图3b中示出了敏感漏磁场的两路相差90°电角度的霍尔输出。当然如有敏感磁强度范围更宽的线性霍尔器件，不仅会提高检测的精度，同时也会简化结构的复杂度。

5结论

本文叙述了常用霍尔器件在直流无刷电机中的应用。并对霍尔器件在电机中的应用提出 一些建议及运用时应注意的事项。面对日新月异的器件发展和更新速度，更好的运用方法尚 有待进一步发掘和研究。

参考文献

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