无刷直流电动机中的霍尔位置传感器1397.doc

HYPERLINK 0:95/~kjqk/wtdj/index.html 微特电机SMALL SPECIAL ELECTRICAL MACHINES1999年　第27卷　第5期　Vol.27　No.5　1999 无刷直流电动机中的霍尔位置传感器 蔡耀成 　　【摘　要】　无刷直流电动机中使用的位置传感器有许多种类，而霍尔位置传感器因具有结构简单，安装方便灵活，易于机电一体化等优点，目前已越来越得到广泛的应用。该文对这类传感器的结构、工作原理、设计原则等方面做较详细的介绍。　　【关键词】　无刷直流电动机　霍尔位置传感器　　中图分类号：TM38　　　文献标识码：A　　文章编号：1004-7018(1999)05-0014-05 Hall Position Sensors in Brushless DC Motor Cai Yaocheng(Changzhou Micro Special Motors General Factory,Jiangsu Changzhou 213011) 　　【Abstract】　There are many position sensors used in brushless DC motors.Featuring simple structure,easy to mount and mechano-electronized,Hall sensors are becoming more and more widely used.This article will give a detailed introduction to construction,operation and design principles of these Hall sensors.　　【Keywords】　brushless motor　Hall position sensor 1 前　言　　位置传感器是组成无刷直流电动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其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，有电磁式、光电式、磁敏式等。它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔位置传感器具有结构简单、体积小、安装灵活方便、易于机电一体化等优点，目前得到越来越广泛的应用。本文将对这种位置传感器的结构原理，构成原则等作一分析。 2 霍尔传感器　　磁敏式传感器是一种以磁场激发的磁敏元器件，它是名目繁多的传感器中重要的一个家族。磁敏传感器的种类很多，有磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁抗元件、方向性磁电元件、霍尔元件、霍尔集成电路，以及利用这些元器件二次集成的磁电转换组件。其中以霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应磁敏传感器，简称霍尔传感器。2．1 半导体中的霍尔效应　　1879年美国霍普金斯大学的霍尔（ E.H.Hall）发现，当磁场中的导体有电流通过时，其横向不仅受到力的作用，同时还出现电压。这个现象后来被称为霍尔效应。随后人们又发现，不仅是导体，而且在半导体中也存在霍尔效应，并且霍尔电势更明显，这是由于半导体有比导体更大的霍尔系数的缘故。　　众所周知，任何带电粒子在磁场中沿着与磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场的作用力，该力称为洛伦兹力，其大小可用下式表示： F=qvB　　(1) 　　式（1）表明，洛伦兹力的大小与粒子的电荷量q，粒子的运动速度v及磁感应强度B成正比。　　图1是在一长方形半导体薄片上加上电场Ex后的情况。在没有外加磁场时，电子沿外加电场Ex的相反方向运动，形成一股沿电场方向的电流I，如图1a所示。当加以与外电场垂直的磁场B时，运动着的电子受到洛伦兹力的作用将向左边偏移，并在该侧面形成电荷积累，如图1b所示。由于该电荷的积累产生了新的电场，称为霍尔电场。该电场使电子在受到洛伦兹力的同时还受到与它相反的电场力的作用。随着半导体横向方向边缘上的电荷积累不断增加，霍尔电场力也不断增大。它逐渐抵消了洛伦兹力，使电子不再发生偏移，从而使电子又恢复到原有的方向无偏移地运动，达到新的稳定状态，如图1c所示。然而，与无磁场时不同的是，在半导体两侧产生了一电场EH，这个霍尔电场的积分，就在元件两侧间显示出电压，成为霍尔电压，这就是所谓的霍尔效应。 图1　半导体中电子运动的状态示意图 图2　霍尔效应原理 　　根据霍尔效应的原理，可制成如图2所示结构的半导体元件霍尔元件。对于一定的半导体薄片，其霍尔电动势E可用下式表示： 　　(2) 　　(3）