霍爾傳感器在電動(dòng)機(jī)車測(cè)速中的應(yīng)用

測(cè)速裝置在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位，對(duì)側(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。介紹了應(yīng)用霍爾傳感器通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，來(lái)得到穩(wěn)定的脈沖方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，它具有靈敏度高，線性度好，穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特點(diǎn)，在機(jī)車控制系統(tǒng)中占有非常重要的地位。對(duì)測(cè)速裝置的要求是分辨能力強(qiáng)、高精度和盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)方案可分成兩類：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)或用脈沖發(fā)生器檢測(cè)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號(hào)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。

所設(shè)計(jì)的基于霍爾元件的脈沖發(fā)生器要求成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能好。在機(jī)車電氣系統(tǒng)中存在著較為惡劣的電磁環(huán)境，因此要求產(chǎn)品本身要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

霍爾傳感器的原理

1．霍爾效應(yīng)

在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。

2.工作原理

霍爾開關(guān)集成電路中的信號(hào)放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號(hào)變換器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)。

側(cè)量磁場(chǎng)及工作設(shè)置

1．測(cè)量磁場(chǎng)

使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直子霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，磁力線必須和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來(lái)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到電場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫、小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。

2.工作磁體的設(shè)置

用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來(lái)產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。在遮斷方式中，工作磁體和霍爾器件以適當(dāng)?shù)拈g隙相對(duì)固定，用一軟磁（例如軟鐵）翼片作為運(yùn)動(dòng)工作部件，當(dāng)冀片進(jìn)入間隙時(shí)，作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷，以此來(lái)調(diào)節(jié)工作磁場(chǎng)。被傳感的運(yùn)動(dòng)信息加在冀片上。這種方法的檢測(cè)精度很高，在125℃的溫度范圍內(nèi)，冀片的位置重復(fù)精度可達(dá)50μm。當(dāng)兩齒之間的空隙正對(duì)霍爾元件時(shí)，穿過(guò)霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)某一齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，穿過(guò)霍爾元件的磁力線集中，磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得穿過(guò)霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個(gè)mV級(jí)的準(zhǔn)方波電壓。此信號(hào)還需由電子電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖電壓，當(dāng)外加磁場(chǎng)的S極接近霍爾電路外殼上打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?BR>
也可將工作磁體固定在霍爾器件（外殼上沒(méi)打標(biāo)志的一面），讓被檢的鐵磁物體（例如鋼齒輪）從它們近旁通過(guò)，檢測(cè)出物體上的特殊標(biāo)志（如齒、凸緣、缺口等），得出物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在圖2的霍爾效應(yīng)速度傳感器中，當(dāng)測(cè)速的靶轉(zhuǎn)到霍爾效應(yīng)傳感器的位置，即霍爾傳感器位于靶及磁鐵之間，霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)到靶感應(yīng)的磁通量變化?；魻栃?yīng)傳感器感測(cè)的是磁通量的大小。

霍爾電路設(shè)計(jì)

1．工作方法

當(dāng)該霍爾器件處在任何極性的恒定磁場(chǎng)中時(shí)，其上的兩個(gè)霍爾傳感器將產(chǎn)生同樣的輸出信號(hào)。無(wú)論該磁場(chǎng)的絕對(duì)強(qiáng)度有多大，它們之間的差值總為零。然而，由于一個(gè)單元面向磁場(chǎng)集中的輪齒，另一個(gè)單元?jiǎng)t面向一個(gè)齒隙，如果兩個(gè)霍爾單元之間存在磁場(chǎng)梯度，那么將產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)，并在芯片上放大。實(shí)際上，這個(gè)差值體現(xiàn)了一個(gè)小偏移，它可由相應(yīng)集成的控制電路來(lái)修正。這種動(dòng)態(tài)差分原理使傳感器表面與齒輪之間存在較大氣隙的條件下能保持高靈敏度。

2.齒輪、感應(yīng)距離和角精度

一個(gè)齒輪可由其模數(shù)來(lái)表征：m＝d/z。其中d是齒輪直徑，Z是輪齒數(shù)量。輪齒到輪齒的距離為T，齒距的計(jì)算公式為T=πm、當(dāng)一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)輪齒而另一個(gè)霍爾傳感器面對(duì)一個(gè)齒隙時(shí)，感應(yīng)到的差值最大。該器件內(nèi)兩個(gè)霍爾傳感器的間隔為2.5mm，在模數(shù)為1，對(duì)應(yīng)的齒距為3.14win的條件下，該器件都可以感應(yīng)到差值。如果該模數(shù)大于3或者齒輪不規(guī)則，將可能在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到足夠的差值，這意味著輸出信號(hào)將不確定。傳感器和齒輪之間允許的最大距離是溫度、模數(shù)、磁體和速度的一個(gè)函數(shù)，速度可以用每次輪齒/齒隙轉(zhuǎn)變時(shí)在輸出端出現(xiàn)一個(gè)脈沖來(lái)表征。如果減小距離，將產(chǎn)生較大的有用信號(hào)。因此，切換精度可以隨傳感器低／高轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這種低／高轉(zhuǎn)變可以代表齒輪的一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度。

3.電路圖設(shè)計(jì)

當(dāng)霍爾元件輸出高電平時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，信號(hào)輸出端輸出方波的低電平；當(dāng)霍爾元件輸出低電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出端為方波的高電平。信號(hào)輸出端每輸出一個(gè)周期的方波，代表轉(zhuǎn)過(guò)了一個(gè)齒。單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時(shí)間內(nèi)的速度V＝NT（T＝πm）。