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霍尔开关在无刷直流电机控制中的应用

返回列表 来源:未知 浏览: 发布日期:2020-08-03 08:36:55【
霍尔效应
置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场,这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的,后被称为霍尔效应。随着半导体物理学的迅速发展,霍尔系数和电导率的测量已成为研究半导体材料的主要方法之一。如今,霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且随着电子技术的发展,利用该效应制成的霍尔器件,由于结构简单、频率响应宽、寿命长、可靠性高等优点,已广泛用于非电量测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天,作为敏感元件之一的霍尔器件,拥有更广阔的应用前景。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场如图1所示,假设有一块宽为a,厚为b的N型半导体(载流子为电子),电流I沿y轴方向通过,磁场B沿:轴方向,电子电量为q, 则横向电场在D、E两表面间产生的电势差霍尔电势差UH为:



式中,n为样品中载流子的浓度,令为霍尔系数,其单位为m3 /C (RH是反映材料霍尔效应强弱的重要参数),则有:



由式(1)、式(2)可得如下结论:
(1) 载流子若为电子,霍尔系数为负,则UH<0;反之,若载流子为空穴,霍尔系数为正,则UH >0。若实验中能测得样品电流强度I磁感应强度B,霍尔电压UH,样品厚度b(实验室给出),就可求出霍尔系数RH值。根据RH 的正负,可以判定半导体样品导电的类型(N或P型)。

(2) 霍尔电势差UH与载流子浓度n成反比,薄片材料的载流子浓度n越大(霍尔系数UH越小),霍尔电势差Uk就越小。一般金属中的载流子是自由电子,其浓度很大约1022 /cm3),所以金属材料的霍尔系数很小,霍尔效应不显著。

但半导体材料的载流子浓度要比金属小得多,能够产生较大的霍尔电势差,从而使霍尔效应有了实用价值,这个效应对金属来说是不显著的,但对半导体却非常显著。因此用半导体材料制成的霍尔元件,霍尔效应明显,灵敏度较高,具有广泛的应用,可用于磁场测量、功率测量及作为模拟运算的乘法器,应用到非电量测量方面,同时可作为压力、位移和流量测量的传感器。

霍尔开关在无刷直流电机中的应用
无刷直流电机是同步电机的一种,也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数影响,在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率,并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。

直流无刷驱动器包括电源部及控制部,电源部提供三相电源给电机,控制部则依需求转换输入电源频率。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时,速度可以稳定于设定值而不会变动太大,所以电机内部装有能感应磁场的霍尔开关,作为速度之闭合回路控制,同时也作为相序控制的依据,如图2所示。


 
霍尔开关和电动机本体一样,也是由静止部分和运动部分组成,即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子-一同旋转,以指示电机主转子的位置,既可以直接利用电动机的永磁转子,也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。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。图3为霍尔开关的结构示意图。


 
霍尔开关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。也就是说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流全过程。如果转子充磁的极对数越多,则在360°机械角度内完成该换流全过程的次数也就越多。

可以看出,要构成1个霍尔开关必须满足以下两个条件:
(1) 位置传感器在1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应相等。

(2) 位置传感器在1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条件,那么总可以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,进而完成换向。