CH44X系列霍爾傳感器在無(wú)刷電機(jī)中的安裝和優(yōu)勢(shì)

CH44X在電動(dòng)自行車的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)介紹

01CH44X電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

1CH44X在電動(dòng)自行車無(wú)刷電機(jī)上的應(yīng)用

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有電刷和整流子，在壽命、保養(yǎng)性、靜音等方面具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，此外，其效率高，功耗低，廣泛地應(yīng)用于電動(dòng)自行車。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)采用永久磁鐵為轉(zhuǎn)子、線圈為定子的構(gòu)造。電動(dòng)機(jī)通過(guò)電流在線圈中流動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵同極相斥/異極相吸的作用產(chǎn)生推力。利用變頻器控制電流，改變定子上纏繞線圈電流的流向，從而改變定子的磁場(chǎng)方向，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)

如圖 1所示為無(wú)刷電機(jī)的工作時(shí)序圖。在基點(diǎn)時(shí)W相產(chǎn)生吸力、V相的推力驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。霍爾傳感器通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，控制各相的電流方向，各相每120°切換一次S/N極，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖1:無(wú)刷電機(jī)工作時(shí)序

霍爾傳感器在檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的磁鐵極性后，指定位置。檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)角度將線圈電壓改變?yōu)檎也?，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，與旋轉(zhuǎn)同步，持續(xù)向線圈施加正弦波電壓，可以連續(xù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的速度通過(guò)改變電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)整。提高電壓，提高驅(qū)動(dòng)指令波形的頻率，轉(zhuǎn)速將會(huì)提高。

如圖 2所示為正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)示意圖，使用三個(gè)霍爾傳感器，每60度實(shí)時(shí)地檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，根據(jù)磁場(chǎng)變化輸出符合轉(zhuǎn)子位置的波形，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面，使用變頻器電路，通過(guò)PWM控制連續(xù)改變電壓，連續(xù)地將定子線圈的電壓轉(zhuǎn)換為正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

圖2:正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)

2霍爾傳感器在無(wú)刷電機(jī)中的安裝

霍爾傳感器在無(wú)刷電機(jī)中的安裝主要有兩種形式，一種是在定子鐵心上開(kāi)槽，將芯片鑲在槽口當(dāng)中。這種方法安裝方便，但是定子鐵心需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的槽口。

圖3:霍爾傳感器安裝定子鐵心的槽上

圖4:鑲在槽中的霍爾傳感器

另外一種廣泛采用的方法是將霍爾傳感器安裝在電路板上，如圖 5所示，電路板設(shè)計(jì)成環(huán)形，環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍，對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測(cè)。這種方法實(shí)現(xiàn)方便，并且可以在電路板上設(shè)計(jì)濾波電路，抑制干擾。

圖5:霍爾傳感器安裝在電路板上

02CH44X優(yōu)勢(shì)

意瑞半導(dǎo)體的CH44X芯片在磁參數(shù)一致性、穩(wěn)定性，電路保護(hù)方面做了充分的設(shè)計(jì)，在電動(dòng)自行車應(yīng)用領(lǐng)域具有如下優(yōu)勢(shì)。

1多種可供選擇的磁參數(shù)

磁參數(shù)是霍爾鎖存器最重要的參數(shù)，同時(shí)也是電動(dòng)自行車應(yīng)用中主要關(guān)心的參數(shù)。磁參數(shù)較大的霍爾傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，在外界有干擾磁場(chǎng)時(shí)，傳感器狀態(tài)不易發(fā)生誤翻轉(zhuǎn)；磁參數(shù)較小的霍爾傳感器，靈敏度高，能夠檢測(cè)變化較小的磁場(chǎng)。

磁參數(shù)是霍爾傳感器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，如圖 6所示，CH44X在磁場(chǎng)強(qiáng)度大于BOP時(shí)處于工作點(diǎn)，輸出低電平，磁場(chǎng)強(qiáng)度小于BRP時(shí)處于釋放點(diǎn)，在上拉電阻的作用下，輸出高電平。CH44XN的敏感磁極與CH44X相反。

圖6:CH44X/CH44XN輸出狀態(tài)圖?

CH44X系列具有多種可供選擇的磁參數(shù)，滿足客戶的個(gè)性化需求，CH44X系列磁參數(shù)如表 1所示。

2溫度穩(wěn)定性好

電動(dòng)自行車在全國(guó)各地的有著廣泛應(yīng)用，各地冬夏氣溫差異較大，電動(dòng)自行車上應(yīng)用的霍爾傳感器需要在較寬的溫度范圍內(nèi)都擁有穩(wěn)定的工作性能。CH44X系列在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工作點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)偏移消除，可以降低通常由器件過(guò)度成型、熱應(yīng)力引起的電壓偏移，從而在-40-150℃下具有出色的靈敏度穩(wěn)定性。

精準(zhǔn)的磁參數(shù)BOP/BRP控制和極小的溫漂變化可以使霍爾位置反饋準(zhǔn)確度提高，電機(jī)效率大大提升。采用先進(jìn)的磁參數(shù)控制技術(shù)，包括片內(nèi)磁參數(shù)Trimming，大幅提高了芯片的一致性，提高電機(jī)轉(zhuǎn)子檢測(cè)精度，增加電機(jī)能效，并提高電機(jī)產(chǎn)品的一致性，針對(duì)正弦弱磁場(chǎng)合（以及永磁同步電機(jī)）影響尤為明顯。

如圖 7所示為CH442磁參數(shù)隨溫度變化示意圖，在-40℃~150℃范圍內(nèi)，磁參數(shù)的波動(dòng)較小，具有良好的溫度穩(wěn)定性。

圖7:CH442磁參數(shù)隨溫度變化曲線圖

3內(nèi)置穩(wěn)壓電路

霍爾傳感器需要工作在電壓相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下，而電動(dòng)自行車的電機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，容易收到電磁干擾，通常電壓有較大的波動(dòng)。在以往的設(shè)計(jì)中需要添加穩(wěn)壓器，而CH44X在芯片內(nèi)部集成了穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路，如圖 8所示為CH44X的原理框圖，在VCC端內(nèi)部集成了穩(wěn)壓器，對(duì)供電電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。工作電壓寬至2.5~22V，無(wú)需在外部添加穩(wěn)壓器，既增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性，又簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。

圖8:CH44X原理框圖

4輸出短路保護(hù)

電動(dòng)自行車經(jīng)常放置于室外而淋雨或可能會(huì)經(jīng)過(guò)積水路面，可能造成芯片的輸出短路。短路往往會(huì)對(duì)電路造成不可逆的破壞，影響電動(dòng)自行車功能安全。CH44X系列具有輸出短路保護(hù)功能，如圖 8所示，在柵極的驅(qū)動(dòng)電路和源極之間集成了過(guò)流保護(hù)，防止短路損壞，芯片應(yīng)用更安全。

5電源反接保護(hù)

客戶在調(diào)試過(guò)程中可能出現(xiàn)將電源線接反的可能，在芯片裝配過(guò)程中工作人員也可能會(huì)出現(xiàn)將芯片裝反的現(xiàn)象，造成芯片損壞甚至?xí)p壞外圍電路。CH44X系列具有電源反接保護(hù)功能，反向耐壓高達(dá)-22V，有效規(guī)避用戶電源反接時(shí)對(duì)芯片造成損壞。

6ESD保護(hù)

很多電機(jī)生產(chǎn)線不夠規(guī)范，人工作業(yè)時(shí)，ESD等對(duì)芯片造成直接損壞和弱損壞的案例層出不窮，CH44X系列所有引腳專業(yè)機(jī)構(gòu)ESD測(cè)試均滿足AECQ100-002標(biāo)準(zhǔn)的±8000V HBM，可以滿足生產(chǎn)裝配過(guò)程中ESD防護(hù)要求，客戶無(wú)需為ESD而擔(dān)憂。

圖9:CH44X ESD能力

審核編輯：湯梓紅