銻化銦InSb霍爾元件在無刷電機中的應(yīng)用
2020-7-10 17:25:12??????點擊：
根據(jù)人民對生活質(zhì)量的高要求，家電的節(jié)能、噪聲、環(huán)保等慢慢成為人們購買電器的一個重要因素，新型直流無刷電機應(yīng)運而生，低噪音、環(huán)保、低能耗的特點使其成為家電電機的首選。
直流無刷電機中較為重要的部件就是霍爾，因為霍爾具有非接觸式,安全性高,壽命,高穩(wěn)定的優(yōu)點,且能抗油污抗灰塵等不良環(huán)境帶來的影響。所以,霍爾在直流無刷電機中是關(guān)鍵部件,其作用是很大的。選擇霍爾的好壞,對直流無刷電機的品質(zhì)有著直接的影響。用銻化銦(InSb)半導體制成霍爾元件靈敏度最高，也是使用最為廣泛的霍爾元件。無刷電機中的霍爾傳感器裝置采用銻化銦(InSb)霍爾元件或銻化銦(InSb)霍爾開關(guān)電路。霍爾傳感器通常與外部放大器電路連接，霍爾傳感器電路直接驅(qū)動電機繞組，大大簡化了電路。
工作原理：無刷直流電機使用永磁轉(zhuǎn)子將所需數(shù)量的霍爾傳感器設(shè)備放置在定子的適當位置。其輸出與定子繞組的相應(yīng)電源電路相連。當轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾傳感器裝置附近時，永磁體轉(zhuǎn)子的磁場使勵磁霍爾傳感器裝置輸出電壓打開定子繞組電源電路，向相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，并排斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。在下一個位置，前一個位置的霍爾傳感器裝置停止工作，下一個霍爾傳感器裝置打開，使下一個繞組通電，產(chǎn)生排斥磁場，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這樣一個循環(huán)來維持馬達的工作。
在這里，霍爾傳感器裝置作為位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置。它的輸出使定子繞組電源電路通斷，同時也起開關(guān)的作用。當轉(zhuǎn)子磁極離開時，前霍爾傳感器裝置停止工作，下一個裝置開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極始終面對推斥磁鐵。磁場和霍爾傳感器器件起到了定子電流換向的作用。
霍爾傳感器開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動電機。當磁場刺激鐵磁材料時，由于其高磁導率、低磁阻，磁力線集中在材料中。當材料平均時，磁力線的分布也是平均的。如果材料中有缺陷，如缺陷處有裂紋、孔等，則磁力線會彎曲，局部磁場會發(fā)生畸變。這種畸變可以通過霍爾傳感器探頭、位置、性能(孔或裂紋)和尺寸(如深度、寬度等)來檢測。該缺陷可以通過數(shù)據(jù)處理來識別。
三相直流無刷電機原理
三相無刷直流電機常采用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關(guān)管開通。無刷直流電機需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來切換工作狀態(tài)，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內(nèi)有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內(nèi)電機換相6次。
霍爾傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍爾傳感器來檢測6 個不同的位置，霍爾傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍爾傳感器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍爾傳感器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應(yīng)霍爾傳感器的輸出信號如圖2 所示，圖2 中霍爾信號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點可以判斷霍爾傳感器的安裝方式。
不管采用哪種安裝方式，輸出的霍爾信號將每個電周期分為6 個區(qū)域，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某個區(qū)域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍爾信號與繞組關(guān)系不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍爾信號與繞組關(guān)系自學習方法。
三相直流無刷電機轉(zhuǎn)矩可以由下式來計算：
T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到某一位置并停止，此時電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6 個區(qū)域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的邊界上；當采用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為－I/2，此時電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的中間位置，如圖3 所示。通過以上分析可以知道，要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一個區(qū)域，采用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。
某一個特定的區(qū)域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區(qū)域Ⅰ，兩兩導通時需A 相和B相繞組通電，要想產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，A 相繞組應(yīng)通正電流，B 相繞組應(yīng)通負電流，記為“A+B-”，要產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩則“B+A-”，其它區(qū)域內(nèi)直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機采用三三導通方式工作，可以根據(jù)反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。
直流無刷電機中較為重要的部件就是霍爾，因為霍爾具有非接觸式,安全性高,壽命,高穩(wěn)定的優(yōu)點,且能抗油污抗灰塵等不良環(huán)境帶來的影響。所以,霍爾在直流無刷電機中是關(guān)鍵部件,其作用是很大的。選擇霍爾的好壞,對直流無刷電機的品質(zhì)有著直接的影響。用銻化銦(InSb)半導體制成霍爾元件靈敏度最高，也是使用最為廣泛的霍爾元件。無刷電機中的霍爾傳感器裝置采用銻化銦(InSb)霍爾元件或銻化銦(InSb)霍爾開關(guān)電路。霍爾傳感器通常與外部放大器電路連接，霍爾傳感器電路直接驅(qū)動電機繞組，大大簡化了電路。
工作原理：無刷直流電機使用永磁轉(zhuǎn)子將所需數(shù)量的霍爾傳感器設(shè)備放置在定子的適當位置。其輸出與定子繞組的相應(yīng)電源電路相連。當轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾傳感器裝置附近時，永磁體轉(zhuǎn)子的磁場使勵磁霍爾傳感器裝置輸出電壓打開定子繞組電源電路，向相應(yīng)的定子繞組供電，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，并排斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。在下一個位置，前一個位置的霍爾傳感器裝置停止工作，下一個霍爾傳感器裝置打開，使下一個繞組通電，產(chǎn)生排斥磁場，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。這樣一個循環(huán)來維持馬達的工作。
在這里，霍爾傳感器裝置作為位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置。它的輸出使定子繞組電源電路通斷，同時也起開關(guān)的作用。當轉(zhuǎn)子磁極離開時，前霍爾傳感器裝置停止工作，下一個裝置開始工作，使轉(zhuǎn)子磁極始終面對推斥磁鐵。磁場和霍爾傳感器器件起到了定子電流換向的作用。
霍爾傳感器開關(guān)鎖定電路直接驅(qū)動電機。當磁場刺激鐵磁材料時，由于其高磁導率、低磁阻，磁力線集中在材料中。當材料平均時，磁力線的分布也是平均的。如果材料中有缺陷，如缺陷處有裂紋、孔等，則磁力線會彎曲，局部磁場會發(fā)生畸變。這種畸變可以通過霍爾傳感器探頭、位置、性能(孔或裂紋)和尺寸(如深度、寬度等)來檢測。該缺陷可以通過數(shù)據(jù)處理來識別。
三相直流無刷電機原理
三相無刷直流電機常采用兩兩導通的方式工作，兩兩導通指任意時刻逆變器只有2只開關(guān)管開通。無刷直流電機需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來切換工作狀態(tài)，也就是說換相點是無刷直流電機正常工作必不可少的信息。圖1為三相無刷直流電機換相點示意圖，為便于理解，特給出了反電勢以及相電流波形，圖中ea，eb，ec代表三相相反電勢，由圖可見，對于三相無刷直流電機，每個電周期內(nèi)有6個不同的換相點，也就是說每個電周期內(nèi)電機換相6次。
霍爾傳感器常用來檢測無刷直流電機換相點。三相無刷直流電機需要3 個霍爾傳感器來檢測6 個不同的位置，霍爾傳感器的安裝有120° 安裝和60° 安裝2 種方式，120° 安裝指3 個霍爾傳感器互差120° （電角度），而60°安裝指3 個霍爾傳感器互差60° （電角度），2 種安裝方法對應(yīng)霍爾傳感器的輸出信號如圖2 所示，圖2 中霍爾信號跳變的位置就是換相點。2 種安裝方式最大的區(qū)別在于采用60 ° 安裝時可以輸出“000”和“111”信號，而120° 安裝則不會輸出這2 個信號，通過這一點可以判斷霍爾傳感器的安裝方式。
不管采用哪種安裝方式，輸出的霍爾信號將每個電周期分為6 個區(qū)域，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某個區(qū)域時，特定的繞組通電，無刷直流電機即可正常運行，若霍爾信號與繞組關(guān)系不準確，電機將無法工作，甚至會造成電機或逆變器損壞。下面介紹一種無刷直流電機霍爾信號與繞組關(guān)系自學習方法。
三相直流無刷電機轉(zhuǎn)矩可以由下式來計算：
T =eaia + ebib + ecicω式中：ea ，eb ，ec 為三相相反電勢；ia ，ib ，ic 為三相相電流；ω 為電機角速度。空載時，在電機繞組中通以固定電流，電機轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到某一位置并停止，此時電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩零圖3中，Ⅰ～Ⅵ表示霍耳傳感器將電周期分成的6 個區(qū)域，當兩兩導通時，通電的兩相繞組電流大小相等，方相反，電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的邊界上；當采用三三導通時，三相繞組均通電，若電流最大相的電流為I，那么其它兩相電流為－I/2，此時電機轉(zhuǎn)矩為零的點分布在各個區(qū)域的中間位置，如圖3 所示。通過以上分析可以知道，要使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一個區(qū)域，采用三三導通的方法要比兩兩導通的方法更加合理。
某一個特定的區(qū)域，正常工作時需要通電的直流無刷電機繞組是一定的，如圖3 中的區(qū)域Ⅰ，兩兩導通時需A 相和B相繞組通電，要想產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩，A 相繞組應(yīng)通正電流，B 相繞組應(yīng)通負電流，記為“A+B-”，要產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩則“B+A-”，其它區(qū)域內(nèi)直流無刷電機繞組通電的情況如表1 所示。如果電機采用三三導通方式工作，可以根據(jù)反電勢很容易地得出繞組通電情況，這里就不再列舉。
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線性霍爾用于三相無刷電機 AKM 旭化成HW-101A http://www.qvxmfbu.cn/Product/054267313.html
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