基于霍尔效应传感器的电机速度控制方案

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

霍尔效应传感器响应于磁场而改变其输出电压。霍尔效应器件用作接近传感器，并用于定位，速度和电流检测。它们被广泛用于电机控制系统。霍尔效应传感器是一种长期解决方案，因为没有机械零件会随着时间的流逝而磨损。集成的软件包减少了系统的大小和实现的相对复杂性。借助可用于计算位置，速度和电流感测的多种技术解决方案，设计人员可以选择最佳选项来实现其目标。设计决策中的关键要素包括成本，分辨率，精度，可靠性和上市时间要求。

检查霍尔效应

霍尔效应是当流经导体（或半导体）的电流受到磁场影响时可测量的电压。在这些条件下，由于洛伦兹力（电磁力）和电力的平衡，垂直于施加的电流会产生横向电压。磁场会影响在导体（或半导体）内部流动的移动电荷。图1显示了电荷在磁场中流过半导体的过程。运动中的电子（q）受到朝向导体一侧的磁力，而在另一侧上留下净正电荷。这种电荷分离会产生一个称为霍尔电压的电压。

霍尔电压（Vh）垂直于电流流动方向，由以下公式表示：

其中J是电流密度，Bz是沿z方向的磁场，w是如图1所示的物理尺寸，Rh是霍尔常数，如果多数载流子是电子，则为负，如果多数载流子为电子，则为正载体是孔。载流子速度是统计量度的结果，磁场的非线性效应会改变实验获得的结果。因此，常数中包括校正项rh，通常可以取1到1.5之间的值。

图1：n型方形封装的霍尔效应（尺寸w×w）（图片：Allegro MicroSystems）

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的区别。霍尔效应器件产生的信号电平较浅，因此需要放大级。许多设备都将传感器芯片和高增益放大器电路集成到一个封装中。

任何霍尔效应检测设备的设计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磁场，并根据电子系统的要求产生适当转换为标准的模拟或数字信号。设计阶段的目标是定义构成图2所示检测设备的四个模块中的每个模块。

图2：霍尔效应传感器的设计布局

最近的技术进步在单个封装中进一步增加了模数转换器和I2C通信协议，用于直接连接到微控制器的I / O端口。

设备和应用

霍尔效应技术已在各种应用中取代了许多传统的测量技术，包括液位测量和电机控制。选择合适的设备取决于精度水平和所需的检查。

对于高精度应用，可以将线性设备与微处理器结合使用。线性设备根据霍尔元件产生的磁场变化提供绝对的模拟位置，而微处理器中的搜索算法将解释磁体的位置。选择的线性设备取决于所需的精度。可能性包括Allegro MicroSystems的可编程A132x或A138。

图3：APS12626的框图（图片：Allegro）

Allegro垂直霍尔效应技术（AVHT）已与传统的平面霍尔效应技术相结合，以创建可以在单个晶片上进行二维传感的设备。Allegro的A1262和APS12626输出检测到的正交信号，以进行进一步处理以确定目标速度和方向（图3）。