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霍尔转子位置传感器的制作
2012年1月25日

     在无刷直流永磁电动机(BLDcmotor)中,一般都采用霍尔转子位置传感器。霍尔转子位置传感器由定子和转子两部分组成。霍尔器件依据一定的规则安装在定子上,转子上装有一定磁极对数的永磁体,并与电动机的主转子同轴安装,如图1.28所示。
  传感器转子的磁极对数pps与主转子的磁极对数p之间存在必须符合下列关系式:
  p/pps=整数,或者pps/p一整数。
  一般情况下,为了减少产品零部件、紧凑结构和降低生产成本,设计人员可以借用电动机本体的主转子(的端部磁场)作为霍尔转子位置传感器的转子,即pps=p;借用电动机本体的主定子铁心作为霍尔转子位置传感器的定子铁心,而不再另行制作霍尔转  子位置传感器。下面举两个具体例子来加以说明。

 


  例1 6三相m=3,电枢槽数z=12,转子永磁体的磁极数2p=8(zo=8,p0=l,t=4)的电动机。
  (1)相邻两齿槽间的夹角相邻两齿槽间的机械夹角am=360°/z一3600°/12=30°相邻两齿槽间的电气夹角ae=p×a=4×30°=120°(2)功率开关器件的导通角由表1.13可知,无论是“一相导通星形三相三状态”,还是“二相导通星形三相六状态”,其功率开关器件的导通角at都是at=120°电角。
  (3)霍尔器件的数量和配置对于例1.6而言,需要3个霍尔器件。相邻两霍尔器件之间的电气夹角可以是aeH=120°,也可以是aeH=60°,这要看具体情况而定。就例1 6而言,应选择aeH=120°。
  在安装的过程中,必须把两相邻霍尔器件之间的夹角从时间域的电角度aeH转换成空间机械角度amH。这里,相邻两霍尔器件之间的机械夹角amH=120°/p=30°。可见,相邻两霍尔器件之间的机械夹角等于相邻两齿槽间的机械夹角,即amH=am=30°。在此情况下,三个霍尔元件应相邻间隔地被放置在电枢铁心的三个相邻的槽中心线上,或与其相对应的其他槽中心线上。
  例1 7三相m=3,电枢槽数z=9,主转子永磁体的磁极数2p一8(z0=9,p0=4t=1)的电动机。
  (1)相邻两齿槽间的夹角相邻两齿槽间的机械夹角瓯=360°/z=360°/9=40°相邻两齿槽间的电气夹角a=p×am=4×40°=160°(2)功率开关器件的导通角由表1.13可知,无论是“一相导通星形三相三状态”,还是“二相导通星形三相六状态”,其功率开关器件的导通角at都是at=120°电角。
  (3)霍尔器件的数量和配置对于例1.7而言,需要3个霍尔器件。在例1.7中,选择相邻两霍尔器件之间的电气夹角aeH=120°。
  在安装的过程中,必须把两相邻霍尔器件之间的夹角从时间域的电角度aeH转换成空间机械角度amH,从而求得相邻两霍尔器件之间的机械夹角amH=120°/p=30°。可见,相邻两霍尔器件之间的机械夹角不等于相邻两齿槽间的机械夹角,即amH≠am。在此情况下,3个霍尔器件被依次放置在电枢铁心的三个相互间隔3个齿距的槽中心线上,如第1块霍尔元件被放置在第1个槽的中心线上,则第2块和第3块霍尔元件应依次被放置在第4和第7个槽的中心线上。这样,相邻两霍尔器件之间的电气夹角Aeh为aeH=3×ae=3X160°=480°对于一个以电气角度来计算的电动机的气隙内圆面言,480°与(480°--360°)=120°是等效的。因此,这样配置3个霍尔器件满足了表1.12所列的条件。
  在直流电动机中,当电枢磁场和激磁磁场正交时,电动机产生****的电磁力矩。因此,在转子位置传感器的转子永磁体与电动机的主转子永磁体兼容的情况下,必须调整由霍尔转子位置传感器的定子和电动机本体的主定子之间的相对位置,以便确保电动机获得****的电磁力矩。在大批量生产的情况下,为简化操作工序,可以采取严格控制主转子永磁体质量的一致性和提高霍尔器件的安装精度的措施,免除调节霍尔转子位置传感器的定子与电动机本体的主定子之间的相对位置的工作,从而达到进一步降低制造成本的目的。
  霍尔器件是一种对磁场敏感的器件,它除了对磁场外,对静电应力、热应力和机械应力也有不同程度的敏感;同时,霍尔器件的机械强度与电动机的其他零部件相比较是最脆弱的一个。为了避免损坏,在选择和使用霍尔器件的过程中应注意下列事工负:
  (1)合理的选用用户应根据无刷直流永磁电动机的本体结构、技术性能、控制逻辑和成本价格等具体情况,合理地选用霍尔器件。
  1)主要技术规格。电压等级和磁灵敏度范围是霍尔器件的主要性能指标。对于线性型霍尔器件而言,还有输出信号对输入信号的线性工作区的****磁场范围。使用者应根据所设计产品的技术要求合理选用。
  2)温度范围。霍尔器件是一种对温度敏感的器件,它的磁灵敏度在高低温度下有一定的漂移。对于由硅半导体制作的霍尔器件而言,温度变化±60℃时,温度漂移一般不应大于30Gs。因此,磁路设计时应使作用于霍尔器件表面的磁通密度要比该霍尔器件的实际需要值高50Gs左右,以便确保磁灵敏度有一定的余量。--制造商生产的霍尔器件有不同的温度等级:商用级为(40°C~+85°C),工业级--为(40°C~+125°C),军用级为(--40°C~+150°C)。使用者可根据所设计产品的工作环境合理选用。
  3)静电灵敏度。根据静电理论,任何半导体电子器件都有自身的静电灵敏度。不同类型的霍尔器件因采用的半导体材料不同和制造工艺不同,因此其静电灵敏度也不同。通常,采用双极型硅基工艺和BiCMOS硅基工艺制作的霍尔器件可耐2000V以上的静电电压;采用CMOS硅基工艺制作的霍尔器件可耐500~1000V的静电电压;分立霍尔元件可耐800V左右的静电电压。
  使用者在设计和制造产品时,一方面要选用静电灵敏度低的霍尔器件;另一方面在设计和使用过程中应采取防静电措施。在干燥的季节,人体静电电压可高达几千伏,甚至几万伏,将危及霍尔器件。因此,在设计和生产制造过程中,应针对不同类型的霍尔器件采取实用有效的防静电措施。尤其在生产过程中,要把人体静电控制在一定程度之  内,这对减少霍尔器件损坏、降低产品成本、提高产品质量和生产效率具有非常重要的意义。
  4)频带宽度。不同的制造商采用不同结构和不同制作工艺生产出来的不同霍尔器件具有不同的频带宽度。一般情况下,开关型霍尔器件的频带宽度为10~100kHz。在高速微处理器时代,10~100kHZ的频带宽度是算相当低的。但是,驱动系统的频带宽度更低,因此在实际使用中可以不必过多地关注霍尔器件的频带宽度。
  5)通电后的输出状态。对于锁存型霍尔器件而言,只要外加磁场的磁通密度大于霍尔器件的工作点,即B>Bop时,霍尔器件通电后就处于开的状态,输出低电平;而当外加磁场的磁通密度小于霍尔器件的释放点,即B  对于单极开关型霍尔器件而言,亦是如此。
  目前,许多大的半导体公司已经制造出符合这种设计规律的开关型和锁存型霍尔器件,可供使用者选用。
  6)通电后的输出信号的上升时间。通电后,霍尔器件输出信号的上升时间取决于器件的设计参数。对于具有斩波设计的霍尔器件而言,达到稳定后的数字信号的上升时间小于1.5μs7)功率损耗。霍尔器件的损耗功率由两部分所组成,一是器件集成电路本身所消耗的功率;二是器件输出级晶体管中的功率损耗,其数值等于晶体管的饱和管压降Vsat乘以上拉电阻中的负载电流。霍尔器件损耗功率的大小将直接影响到它在电动机中的安装位置、安装方式和****允许的工作温度等。
  (2)外周电路的配合
    1)合适的电源电压和负载电流。合适的电源电压和负载电流是霍尔器件正常工作的先决条件。霍尔器件的供电电源电压不应超过说明书中规定的‰数值。大多数霍尔器件的输出是集电极输出,输出级内功率晶体管的集电极电阻,即负载电阻RL的数值取决于负载电流IL的大小,即RL≈VDD/IL负载电阻RL的数值过小时,出现过载运行,将使晶体管中的功率损耗增大;负载电阻RL的数值过大时,将使输出电压下降,极端情况时将有可能抑制正确的逻辑功能。
  2)适当的保护电路。当霍尔器件内部没有反向电压保护时,可以在输出晶体管的集极内接入一个100Ω的电阻和(或者)反向二极管,如图1.29所示,通过限止反向电流和(或者)反向电压来避兔过电应力造成的损坏。
  当电动机运行时,霍尔器件的周围存在着很强的电磁场,相关导线会将空间的电磁场能量耦合下来转换成电路中的电压值,并作用于霍尔器件;同时,负载电路中的导线存在分布电感,当霍尔器件的输出晶体管导通和截止时,也会由于电流瞬变而在电路中产生过冲电压。因此,必须在霍尔器件的周边配置稳压及吸收高频信号等的保护电路,如图1.29所示。

  (3)实施严格的安装工艺为了消除或减小静电应力、热应力和机械应力对霍尔器件的影响,除了合理设计外,必须实施严格的安装工艺。
  1)由于机械应力会造成霍尔器件的磁性敏感度的漂移,在使用和安装过程中应尽量减少施加到霍尔器件外壳和引线上的机械力。
  2)由于环境温度过高时会损坏霍尔器件内部的半导体材料,从而造成性能偏差或功能失效。因此,必须严格规范焊接温度和时间,具体要求如下:
  ④焊接时,要采用功率小于35w和温度低于260℃的低温电烙铁及焊锡丝,焊接时间应小于3s,焊接点距离霍尔器件引脚根部3mm以上。
  ②焊接时,霍尔器件的引脚要平直,尽量避兔弯曲。若必须弯曲时,则应在距离引脚根部3mm以外处弯曲。弯曲时,必须采用工具把引脚根部3mm以内部分固定住,再弯曲其余部分,以防止弯曲操作对霍尔器件的内部引线造成影响,降低可靠性。
  ③将导线平行地焊接在霍尔器件的引脚上时,要注意焊接时不能掰动霍尔器件的引脚。
  3)防止静电损坏霍尔器件,从控制静电的产生和消除静电两方面入手,抓住人体这个最普遍存在的静电危害源,采取具体措施,防止静电损坏霍尔器件。具体要求如下:
  ①焊接工具采用内热式电烙铁,接地要良好,接地电阻要小。在干燥季节,操作人员要带防静电环。
  ②操作时应尽量不要触摸静电敏感的霍尔器件管脚。
  ③组装所用品焊接设备及成形工装都必须接地。
  ④测试电源系统采用隔离变压器,地线要可靠,接地电阻应小于10Ω,防止悬浮地线。
  ⑤产品测试时,在电源接通的情况下,不能随意插拔器件,必须在关掉电源后方可插拔。
  ⑥霍尔器件引线接插件应选用金属引线夹,不得外露。

 

 

 

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