使用霍尔效应传感器控制电机速度

霍尔效应传感器根据磁场改变其输出电压。霍尔效应器件被用作接近传感器，用于检测定位、速度和电流，它们广泛应用于电机控制系统中。因为机械部件不会着时间而磨损，所以霍尔效应传感器是长期的解决方案。集成的封装还可以减少系统尺寸、降低实施的相对复杂性。随着各种各样的技术解决方案可用于计算位置、速度和电流传感，设计师可以选择最佳的解决方案来实现他们的目标。设计决策中的关键要素包括成本、分辨率、精度、可靠性和上市时间的要求。

霍尔效应检测

霍尔效应是当流过导体或半导体的电流受到磁场影响时所产生的可测量电压。在这些条件下，由于洛伦兹（电磁）力和电力的平衡，产生垂直于施加电流的横向电压，磁场会影响导体(或半导体)内部流动的电荷。图1显示了在磁场中，穿过半导体的电荷所发生的变化。运动中的电子（q）在导体的一侧受到磁力作用，在另一例留下一个净正电荷。这种电荷分离产生了霍尔电压。
 

图1，n型方型封装(尺寸为wxw)的霍尔效应。(图片来源：Allegro Microsystems)

霍尔电压(Vh)垂直于电流流向，表示为：

其中J是电流密度，Bz是沿z方向的磁场，w是如图1所示的外形尺寸，Rh是霍尔常数，若大多数载流子是电子，霍尔常数为负；若大多数载流子是空穴，则霍尔常数为正。载流速度为统计测量的结果，且磁场的非线性效应可以改变实验结果。因此，常数中包含一个修正项rh，rh的值通常在1~1.5之间。

霍尔效应的一个基本特征是，在一个方向上移动的正电荷与在相反方向上移动的负电荷之间存在压差。霍尔效应器件会产生一个浅信号电平，因此需要放大级。许多器件都包含传感器芯片和高增益放大器电路，二者集成于一个单一封装内。

设计任何霍尔效应检测设备，都需要一个能够响应通过电子输入接口检测到的物理参数的磁性系统。霍尔效应传感器检测到磁场，并根据电子系统的要求，适当地将模拟或数字信号转换成标准信号。图2所示的检测器件由四个模块构成，设计阶段的目标是定义其中每一个模块。

图2，霍尔效应传感器设计布局。

在单一封装中，最新的技术中进一步增加了一种模数转换器，以及用于直接连接到微控制器I/O的I2C通信协议。

器件与应用

在包括液位测量和电机控制的各种应用中，霍尔效应技术取代了许多传统的探测技术，如何选择适当的器件取决于精度水平和所需的检查指标。

对于高精度应用，线性器件可以与处理器结合使用。线性器件提供绝对模拟位置，作为磁场随霍尔元件变化的函数，而微处理器的搜索算法可解释磁铁的位置。选择哪种线性器件取决于所需的精度。器件可能包括Allegro Microsystem可编程的A13x或A138。

Allegro垂直霍尔效应技术（AVHT）与传统平面霍尔效应技术相结合，创造出了可以在单个芯片上感知二维空间的器件。Allegro的A1262和APS12626输出检测到的正交信号，以进行进一步处理，进而确定目标的速度和方向（图3）。

图3 APS12626框架图。(图片来源：Allegro Microsystems)

德州仪器公司 (Texas Instrument) 的DRV5057是一款线性霍尔效应传感器，可以采用3.3或5伏的电源供电。若没有磁场，输出则会产生一个占空比为50%的时钟，而且会检测到垂直于封装顶部的磁通量。这两个封装选项提供了不同的感知方向（图4)

图4，DRV5057应用电路。

霍尔效应集成电路是一种用来监测电机电流的控制和保护（IC电流传感）的方法，简单有效。电机的电流消耗与所施加的电机转矩成正比。因此，控制速度和施加到电机上的力的典型方法，就是测量微处理器中的电流消耗。然后微处理器可以计算出是否必须给电机施加电流才能达到所需的速度。霍尔效应电流传感器的铜引线框架电阻非常低，因此可以直接与电动机串联。

防抱死系统（ABS）是一种汽车安全系统，能让车轮继续与路面相互作用，避免车轮锁定、打滑。在干燥和光滑的路面，防抱死系统通常能让驾驶员更好地控制车辆，缩小停车距离。ABS的主要输入是车速度传感器接口。通过比较车轮速度传感器的输入，可以确定单个车轮是否容易打滑。

轮速传感器通常是霍尔效应器件，需要预先调节以产生数字脉冲宽度调制（PWM）输入，并由微控制器（MCU）读取。利用单片机对车速传感器数据进行比较，控制制动缸压力。还负责诊断、警报通知和与其它传感器之间进行通信。

为了有效调节电机转矩，基于MCU的控制单元需要了解电机在每个控制周期的相电流瞬时信息。这些电流，特别是扭矩值较高的电流，可以达到甚至超过几百安培。因此，便使用带电流隔离的电流互感器，将其放置在初级电路(在大电流)和次级电路(电子电路)之间。转换器基于霍尔效应运作，并在次级绕组上提供与测量电流成比例的输出电压。

使用这种电流转换器的优点是，这些转换器可以放在电线外面，并且不会干扰信号。使用基于并联电阻测量的替代方法可能会导致过热和损耗，而且在大电流的情况下，测量结果会不准确。

(参考原文： Motor Speed Control Using Hall-Effect Sensors，by Maurizio Di Paolo Emilio)

责编：Yvonne Geng

本文为《电子工程专辑》2020年2月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅