霍尔器件在无刷直流电机中的应用.pdf

控制工程 2 0 0 6年第 3期 霍尔器件在无刷直流 电机中的应用 王舒 雁 北京控 制 工程研 究所 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 尔器件就有所不 同 对 于近年来 出现 的低值霍 尔器件大致可分为两种 分别为开关式霍尔器件 线性霍 尔器件 对于 不 同的霍 尔器件 的应 用在 文 中进 行 了阐述 关键 词 直 流无刷 电机霍 尔器件 1 引 言 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 1 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 的种类 霍尔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出特性分又可分为单输出的霍尔器件和双输 出的霍尔器件 其中单输出的霍尔器件包括有单极型和双极型 开关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 维普资讯 控制 工程 3 1 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 出翻转为高 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 1 a中示 出了单极型霍尔器件的磁 电转换特性 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 出脉冲宽度的差异 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 出脉宽的差异而引起 的绕组导通 角的偏差 以星形三相三状态的电机为例 在图 2 a中示 出了单极性霍尔器件在正 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的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 已起不到很好效果了 不正确的导通角偏差会引起电机额外的损耗 V眦t Vo H Vo L 图 l a 单极性霍尔 器件磁 电转换特性 图 l b 双性型霍 尔器件磁 电转换特性 注 为工作点 磁感应强度 B R p 未释放点磁感应强度 B H为 回差 D 1 旷 1 E B 1 r r 1 1 1 E D J B 1兰 日 r 口 t 逆时针转 t 逆时钟转 图 2 a 单极 性霍尔器件在 电机旋转 中 图 2 b 双极 性霍尔器件在 电机施转 中 的电输出特性 的 电输 出特性 注 图中虚线为实际霍尔器件输出的信号 实线为霍尔器件无回差 B H 时的理想输出信号 Q Q6 Q 为电机中三相霍尔器件的输出 a l 为一相绕组的驱动信号 口 l Q n石 为相位差 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 但靠机械的零位调整是完全 可以补偿的 如图 2 b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 霍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 阈值 即可 但安装于定子 线包 内 维普资讯 3 2 控制工程 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 角度偏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 5 T左右 时 其磁体端部的漏磁场也有 0 2 To在距磁体端部一定距离处 一般小于 7 mm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 2 0 m T以下 霍尔器件均可输出较好的换相波形 在文献 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影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 以减小影响 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 口 扎 3 6 0 p 1 其中 为任意整数 包括 0 例如星形三相三状态的电机 a 1 1 2 0 a 2 2 4 0 P 8 就可 以有很多种的安装方法 c 2 fl p 2 l 6 1 0 2 n 扎 1 2 3 1 2 4 0 n 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 1 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槽内 2 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像 的饱和磁场强度的最大值为 O 2 5 T 霍尼韦尔公司的 维普资讯 控制工程 3 3 S S 9 4 A 2 D 一般的线性测量范 围在 0 1 T 0 2 T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 5 T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 9 0 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 3 l 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 3 a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 7 ram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 3 b中示出了敏感漏磁场的两路相差 9 0 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 一 1 n f i I J I 1 1 J 一 5 结束语 图 3 0 0 融 0 图 3 b C h2 W t h 2 7 4 2 m s C h W t h 21 3l ms 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 1 Ho n e y we l 1 Ha l l E f f e c t S e n s i n g a n d Ap p l i c a t i o n M i c r o S wi t c h S e n s i n g a n d C o n t o l 2 F B u r g e r P 一 A Be s s R S P o p o v i c Ne w s i n g l e c h