无刷直流电动机中霍尔位置传感器的设计与应用

无刷直流电动机中霍尔位置传感器的设计与应用　杨培双　（威海职业学院，山东威海２６４２１０）　

瓶要：主要食　直瀛天　电动机　ｔ　袁换　妖嵌　藿　位置传惑器镪锗桶、分类帮工　一　作原理，给出了霍尔位置传感器的构成原则　勖　建辨　婚　臼酾０馘电动机中的设麓ｊ　诗泣再责法．｜　Ｉ　．．｜｜０｜｜≥｜｜毒等一　誊　§誊誊警萋　ｉ鸯　鬻≈　０菩撼　无　苴渍浇动机蛰霍　直　霍　惑器　｜　薯譬　ｉｔ誊警　薯｜　｜　｜　｜。　｜｜　卑阻分类号：ＴＭ３３文献标诀码Ａ　｜　ｌ文章编号　ｓ４　、）鹏默Ｉ２９Ｊ　。。一　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈａｌｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｏｒ　

ＹＡＮＧ　Ｐｅｉ—ｓｈｕａｎｇ　（Ｗｅｉｈａｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｗｅｉｈａｉ　２６４２１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｈａｌｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｇｉｖｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｈａｌｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　Ｈａｌｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｎｍｔｏｒ；ｈａｌｌ一＠ｃｔ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｏｆ　ｈａｌｌ　

０　引言　无刷直流电动机由电机本体、位置传感器和驱动　电路三部分组成，其中位置传感器是区别于有刷直流　电机的主要标志．它的作用是检测主转子在运动过程　中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信　号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它　们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转　子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转　磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转，位置传感器的　种类很多，其中典型应用的就是霍尔位置传感器．　

２霍尔传感器　２．１霍尔效应　１８７９年美国霍普金斯大学的霍尔（Ｅ．Ｈ．Ｈａｌ１）发　现，当磁场中的导体有电流通过时，其横向既受力的　作用又产生电动势，这种现象称为霍尔效应．在半导　体中也存在霍尔效应，且电动势更明显．　

收稿日期：２００９—１２－１８　作者简介：杨培双（１９６６－），女，硕士，研究方向为电气工程教学与科研　

根据霍尔效应的原理，可制成如图１所示结构的　四端子半导体元件——霍尔元件．　

图１霍尔效应原理　在半导体薄片上产生的霍尔电动势Ｅ　可用下式　表示：　

尺　

式中，Ｒ　为霍尔系数（ｍ　／Ｃ）；，　为控制电流　

技术篇２０１０年第三期　２９　（Ａ）；日为磁感应强度（Ｔ）；　为薄片的厚度（ｍ）；ｐ为　材料电阻率（ｎ・ｍ）；／ｘ为材料迁移率［ｍ　／（Ｖ・ｓ）］．　由于上述霍尔元件所产生的霍尔电动势很低，在　应用时须外接放大器．现已将霍尔元件与半集成放大　电路一起制作在同一块Ｎ型硅外延片上而构成了霍　尔集成电路．图２为其外形和内部电路图．　（ａ）外形　（ｂ）内部电路　图２霍尔集成电路　Ｕｃｃ　ＵＯ　出　ＧＮＤ　２．２霍尔传感器的分类　霍尔传感器按功能和应用可分为线性型、开关型　和锁定型三种．　１）线性型．线性型传感器由电压调整器、霍尔元　件、差分放大器、输出级等部分组成．输入为线性变化　的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出　电压，可用于磁场等多种场合的测量．　２）开关型．开关型传感器由电压调整器、霍尔元　件、差分放大器、施密特触发器和输出级五部分组成．　输入为磁感应强度，输出为数字信号．它的导通和截　止只与外界磁感应强度的大小有关，与磁场极性　无关．　３）锁定型．它与开关型传感器一样也是由五部　分组成的．其工作过程是：当外界磁场方向为正时，霍　尔元件的输出电压为正，该电压经过放大器放大后作　为触发器的触发信号．当信号电压随外界磁感应强度　的增强而增加，达到触发器导通电压阀值时，电路的　输出由高电平变为低电平，此后，如果外界磁感应强　度继续增加，触发器维持导通状态不变．由于触发器　的导通和截止电压阀值的设计是对称的，所以当外界　磁感应强度减弱时，触发器仍维持导通状态．只有当　外界磁场极性改变并达到一定强度时，霍尔元件输出　的负触发信号达到触发器的截止阀值电压，触发器才　由导通跃变为截止，因而磁场的极性每变换一次，电　路的输出就完成一次开关转换．　２．３霍尔传感器的作用　１）当控制电流不变，使传感器处于非均匀磁场　时，传感器的输出正比于磁感应强度．在这方面的应　用有磁场、微位移、力、速度、加速度、表面粗糙度等物　３０第三期２０１０年技术篇　理量的测量，还可以构成三角函数发生器、同步传递　装置、无接触装置等．　２）当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感　器的输出与两者乘积成正比．用在乘法器、功率计以　及除法、倒数、开方等运算器中．　３）若保持磁感应强度不变，则可利用传感器输　出与控制电流的关系来控制电路．　

３霍尔位置传感器　３．１霍尔位置传感器的结构　霍尔位置传感器也是由定子和转子部分组成，其　转子与电机主转子一同旋转，用以指示电机主转子的　位置．定子是由若干个霍尔元件按一定的间隔等距离　地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置，如　图３所示．　

霍　图３　霍尔位置传感器的结构示意图　

３．２霍尔位置传感器的基本功能　位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电　周期内，产生出所要求的开关状态数．电动机传感器　的永磁转子每转过一对磁极（Ｎ、Ｓ极）的转角，就要　产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以　完成电动机的一个换向全过程．　３．３霍尔位置传感器的构成原则　构成一个霍尔位置传感器必须满足以下两个条　件：　１）在一个电周期内所产生的开关状态是不重复　的，每一个开关状态所占的电角度相等．　２）在一个电周期内所产生的开关状态数应和电　动机的工作状态数相对应．　如果位置传感器输出的开关状态能满足以上两　个条件，总能通过一定的逻辑变换将位置传感器的开　关状态与电动机的换向状态对应起来，完成换向．　以一个由相互间隔为６０。电角度的三个霍尔元件　Ａ、Ｂ、ｃ所组成的霍尔位置传感器为例，图４为霍尔元　件输出波形组合图，表１是霍尔元件的输出状态．　三Ｈ睦Ｂ　Ｏ　６Ｏ。　ｌ２０。１　８Ｏ。２４０。３００。３６０。　０／（。）　

图４间隔６０。电角度的三个霍尔元件输出波形组合图　

由锁定型霍尔开关元件的原理知，在一个电周期　内，当其感受Ｎ及ｓ二个不同极性磁场的作用时，将　呈现出“高电平”及“低电平”两个不同的状态，这两　个不同的状态所占的电角度相等，各为１８０。．把三个　相互错开６０。电角度的波形组合在一起，这种组合的　霍尔位置传感器能产生六个不同的开关状态，且所占　的电角度都相等，均为６０。．　

表１　间隔６０。电角度的三个霍尔元件输出状态　状态

＼＼　

尔一　

、、、＼＼、　Ａ　Ｂ　Ｃ　

１　１　０　Ｏ　２　１　１　０　３　１　１　１　４　０　１　１　５　０　０　１　６　０　０　０　

４霍尔位置传感器的设计　霍尔位置传感器的设计可分为定子设计和转子　设计．　４．１定子设计　定子设计主要是确定霍尔元件的数目、它们相互　间隔的位置角度以及安装的位置．　４．１．１霍尔元件数目的确定　开关型霍尔传感器是一个双值元件．一个双值元　件仅有“０”和“１”两种状态，ｎ个双值元件则可组成　２ｎ种状态．根据电动机的分配状态数确定所需霍尔　元件的最少个数．　上述规律是从理论上考虑～个多位双值系统能　构成多少个不同的状态，为我们在确定霍尔元件的个　数时提供一个大致的范围，最后还必须使用波形组合　法，才能最终确定一个实际的位置传感器需要的霍尔　兀件数．　４．１．２霍尔元件相隔的位置角　首先把每个霍尔元件所产生的波形等分成电动　机所需要的逻辑分配状态数，然后把它们相互错开一　定的位置角后组合在一起，倘若最终能产生所要求的　开关状态数，则这个位置角就是可取的．　如果分配状态是单数的话，可以把该数乘以２，　再按照乘以２后的数进行等分．当然所得到的位置角　并不是唯一的，如图５及表２是间隔电角度的三个　霍尔元件的输出波形组合图及输出状态表．比较两图　可以看出，两种情况能产生出六种不同的状态．　只要符合上述条件，都能构成位置传感器．　ＨＡ　ＨＢ　Ｈｃ　０　６０。１２０。１８０。２４０。３００。３６０。　０／（。）　图５　间隔１２０。电角度的三个霍尔元件输出波形组合图　表２间隔１２０。电角度的三个霍尔元件输出状态　Ａ　Ｂ　Ｃ　１　１　Ｏ　０　２　１　１　０　３　１　１　１　４　０　１　１　５　０　０　１　６　０　０　０　在确定霍尔元件问隔距离的过程中，应以电角度　为单位，还必须把它转换为机械角度才能在无刷直流　电动机中安装．这个机械角的大小与传感器转子充磁　的磁极对数有关，可由下式计算：　０　ＯＬ：——　Ｐ　式中，Ｏｔ为机械角；０为电角度；ｐ为传感器转子　充磁极对数．　４．１．３安装位置　图６是一相导通三相三状态时的无刷直流电动　

技术篇２０１０年第三期　３１