使用霍尔效应传感器的电机速度控制方案

霍尔效应传感器根据磁场改变其输出电压。霍尔效应器件用作接近传感器以及定位、速度和电流检测。它们广泛用于电机控制系统。霍尔效应传感器是一种持久的解决方案，因为没有机械部件会随着时间的推移而磨损。集成包减少了系统的大小和实现的相对复杂性。凭借多种可用于计算位置、速度和电流感测的技术解决方案，设计人员可以选择最佳选项来实现他们的目标。影响设计决策的关键要素包括成本、分辨率、精度、可靠性和上市时间要求。

霍尔效应的检验

霍尔效应是当流过导体(或半导体)的电流受到磁场影响时，通过导体(或半导体)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，会产生与施加的电流垂直的横向电压。磁场会影响导体(或半导体)内部流动的移动电荷。图 1 显示了在磁场中穿过半导体的电荷会发生什么。运动中的电子 (q) 受到朝向导体一侧的磁力，在另一侧留下净正电荷。这种电荷分离会产生一个电压，称为霍尔电压。

霍尔电压 (Vh) 垂直于电流流动方向，由下式表示：

其中 J 是电流密度，Bz 是沿 z 方向的磁场，w 是图 1 中的物理尺寸，Rh 是霍尔常数，如果多数载流子是电子，则为负值，如果多数载流子为正值载体是孔。载体速度是统计测量的结果，磁场的非线性效应可以改变实验获得的结果。因此，常数中包含一个修正项rh，通常取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区分沿一个方向移动的正电荷和沿相反方向移动的负电荷。霍尔效应器件产生浅信号电平，因此需要放大级。许多设备将传感器芯片和高增益放大器电路集成到单个封装中。

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块中的每一个。

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

霍尔效应技术已经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，线性设备可以与微处理器结合使用。线性设备提供绝对模拟位置作为来自霍尔元件的磁场变化的函数，而微处理器中的搜索算法解释磁体的位置。选择的线性设备取决于所需的精度。可能性包括来自 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) 与传统的平面霍尔效应技术相结合，创造出可以在单个晶圆上进行二维感应的设备。Allegro 的 A1262 和 APS12626 输出检测到的正交信号，用于进一步处理以确定目标速度和方向(图 3)。

审核编辑：汤梓红