一種驅(qū)動電機(jī)用霍爾傳感器的設(shè)計方法

1前言

驅(qū)動電機(jī)作為電動汽車的核心部件之一，在汽車電動化變革的浪潮下，其設(shè)計水平得到了顯著的提高。在《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中提到了國內(nèi)驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展目標(biāo)：2020年、2025年和2030年乘用車20秒有效比功率要分別達(dá)到3.5、4和5kW/kg以上，商用車30秒有效比扭矩要分別達(dá)到18、19和20N·m/kg以上。在嚴(yán)苛目標(biāo)的指引下，各種電機(jī)方案在被陸續(xù)嘗試。

在當(dāng)下各主流車企采用的驅(qū)動電機(jī)方案中，均采用旋轉(zhuǎn)變壓器（后簡稱旋變）作為電機(jī)位置傳感器。通過對比霍爾傳感器與旋變得出下表：

表1.1霍爾傳感器與旋變參數(shù)對比

通過對比可看出，霍爾在成本和體積上有明顯優(yōu)勢，在合適工況下，霍爾是一種更優(yōu)于旋變的選擇，綜上，本文介紹了一種通用的霍爾設(shè)計方法。

2霍爾元器件介紹

霍爾芯片基于霍爾效應(yīng)制作，在元器件中有一塊霍爾效應(yīng)板，元器件功能框圖如下：

圖2.1霍爾元器件功能框圖

當(dāng)霍爾效應(yīng)板檢測到不同磁場時，能夠輸出不同電信號。通常芯片在輸出信號時，輸出電壓信號與磁場極性有遲滯關(guān)系。如下圖所示：

圖2.2霍爾元器件輸出特性

同一型號霍爾元器件一般分為南極款芯片與北極款芯片，兩款芯片分別在識別對應(yīng)極性時輸出高電平，檢測到另一極性時輸出低電平。

芯片的輸出電壓取決于芯片的供電電壓，有常用芯片能夠做到3-24V輸出可調(diào)。該選型取決于控制器控制板所給定的電源電壓及檢測引腳能夠承受的電壓。一般來說電壓越高抗干擾能力越強(qiáng)。

霍爾元器件的外圍電路簡潔，傳感器電路板上無需布置過多元器件，這對小體積應(yīng)用非常友好。通常在外圍電路中僅需要上拉電阻及濾波電容即可。其典型外圍電路如下圖所示：

圖2.3霍爾元器件典型外圍電路

對于同一款霍爾，在不同工況下需選擇不同耐溫或者不同封裝來匹配具體的應(yīng)用環(huán)境，芯片廠商往往能夠提供多種耐溫規(guī)格及多種封裝形式的芯片供設(shè)計師選擇。

對于不同極數(shù)、不同最高轉(zhuǎn)速的電機(jī)，需要計算出反電勢最高頻率，并在選型時選擇大于該頻率的芯片。

霍爾在選型時還有一項重要參數(shù)---霍爾跳變閾值（單位Gs），即霍爾檢測到多強(qiáng)的磁場產(chǎn)生跳變，該值的選擇會直接影響到測試結(jié)果，主要影響霍爾檢測精度，選擇過大或者過小的跳變閾值都會產(chǎn)生霍爾跳變沿與反電勢換向點不統(tǒng)一的問題。而換相點不統(tǒng)一會導(dǎo)致控制器換相超前或滯后于反電勢換相，影響電機(jī)輸出能力。

表2.1 A122X霍爾選型表

3行業(yè)典型應(yīng)用

霍爾傳感器由于其小體積、低成本的優(yōu)勢常被應(yīng)用于電動兩輪車、電動三輪車、老年代步車等機(jī)動車的動力總成。該類型產(chǎn)品都有價格低、銷量高的特點，電機(jī)可以通過縮小傳感器所占用的空間，來降低電機(jī)殼體重量，同時由于其價格優(yōu)勢較大，能夠有效降低動力總成價格，所以在上述價格敏感產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用。

3.1輪轂電機(jī)

下圖為霍爾傳感器在摩托車輪轂電機(jī)中的典型應(yīng)用，在該應(yīng)用中僅使用“PCB板+霍爾元器件+線”的形式就完成了完整霍爾傳感器的設(shè)計?；魻栐骷褂枚ㄗ予F芯開槽的方式進(jìn)行安裝固定。從軸向尺寸上觀察，傳感器整體高度在8mm以內(nèi)，若取端部繞組過橋線處最高點到傳感器最高點的距離，該距離可小于5mm，即在端部繞組上增加5mm高度即可完成霍爾傳感器的安裝，充分體現(xiàn)了霍爾傳感器小體積的優(yōu)勢。

圖3.1輪轂電機(jī)實物圖

3.2兩輪燃油車

在兩輪燃油車領(lǐng)域，隨著法規(guī)對排放的要求提高，兩輪車自動啟停技術(shù)的到了重視，與摩托車發(fā)動機(jī)曲軸直連的發(fā)電機(jī)成為了改造對象，通過增加霍爾傳感器，實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的控制，能將發(fā)電機(jī)用作啟動電機(jī)，是當(dāng)前兩輪車發(fā)展的趨勢之一。

如下圖所示的電機(jī)即為改裝后的發(fā)電機(jī)，圖示位置為霍爾傳感器，該方案設(shè)計有外骨架進(jìn)行霍爾安裝，內(nèi)部使用貼片式霍爾，在霍爾組裝完成后進(jìn)行灌封，霍爾總成的穩(wěn)定性得到較大提升。

4霍爾設(shè)計

通過上述典型案例分析，可將霍爾安裝方式分為“有骨架”和“無骨架”兩類。對比兩類霍爾傳感器可得出下表：

表4.1有骨架霍爾與無骨架霍爾對比

通過對比可知有骨架型霍爾在體積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上都高于無骨架霍爾。本節(jié)將會以有骨架霍爾為例，講解霍爾傳感器設(shè)計方法。

4.1霍爾插槽的選擇

霍爾插槽，即霍爾安裝位置，一般該位置可位于齒中心或槽中心，兩者均可準(zhǔn)確反應(yīng)磁場變化情況。不論是齒中心還是槽中心，均需要按照電機(jī)所選擇的槽極配合來選擇在哪一槽（齒）安裝霍爾元器件，當(dāng)三個元器件安裝完成后能夠以60°或120°相位角進(jìn)行輸出即為正常。對于60°與120°的選擇，需要以控制器程序為準(zhǔn)，采用不同的角度，輸出信號也不同，如下表所示

表4.2 120°分布情況下霍爾輸出情況

表4.3 60°分布情況下霍爾輸出情況

大部分控制器廠商均以120°分布的輸出信號來編寫程序，若采用60°則需要重新調(diào)試程序，建議以120°分布作為設(shè)計值。

當(dāng)確定好電角度設(shè)計值之后，就需要確定機(jī)械角度，來決定安裝的具體槽（齒），以一對極電機(jī)為例：

圖4.1 120°分布霍爾安裝位置示意圖

圖4.2 60°分布霍爾安裝位置示意圖

通過圖片可以看出，對于一對極電機(jī)，電角度120°分布，機(jī)械角度就需要120°分布；電角度60°分布，機(jī)械角度就需要60°分布。

當(dāng)電機(jī)極數(shù)增多時，霍爾布置的機(jī)械角度就會隨之縮小，例如四對極電機(jī)采用120°分布，則霍爾安裝的機(jī)械角度等于120/4=30°。計算過程如下：

再以典型的8極48槽電機(jī)為例：

1若選擇的電角度分布為120°，則霍爾安裝機(jī)械角度需間隔30°。 2考慮到電機(jī)槽數(shù)為48，每槽所占機(jī)械角度為7.5°。 3確定每4槽（齒）安裝一個霍爾傳感器即可。如下圖所示。

圖4.3 8極48槽電機(jī)120°分布霍爾安裝示意圖

通過上述步驟計算，即可確定各霍爾安裝位置，對于不同槽極配合的電機(jī)也可通過相同的方法確定。第一步確定霍爾電角度分布，第二步確定霍爾機(jī)械角度分布，第三步計算需要間隔多少槽安裝霍爾傳感器。

4.2霍爾徑向位置的選擇

在確定霍爾插槽位置后，需要確定霍爾在徑向上所處的位置，即確定霍爾檢測到磁場的具體位置。該位置的選擇直接影響霍爾跳變的精度，即跳變沿是否會超前或滯后于換向點。如下圖所示：

圖4.4 磁鐵磁力線分布圖

通過上圖可以看出，離磁鐵越遠(yuǎn)的位置磁力線越稀疏，即磁場強(qiáng)度越弱，離磁鐵越近的位置磁力線越密，即磁場強(qiáng)度越強(qiáng)。根據(jù)前述的霍爾原理，當(dāng)檢測到磁場強(qiáng)度高于或者低于閾值時，霍爾信號發(fā)生跳變，所以選擇檢測的具體位置即是選擇霍爾跳變的電角度。

在考慮該距離時需要對轉(zhuǎn)子磁場的分布情況進(jìn)行仿真或測量，同時需要考慮霍爾安裝位置是否會對鐵芯產(chǎn)生影響，是否會對裝配造成不便。下面以8極48槽電機(jī)為例，來確定霍爾徑向檢測位置：

圖4.5 8極48槽電機(jī)磁密分布 1 定子繞組在經(jīng)過Q軸時會產(chǎn)生不同向電勢（反電勢過零點），所以霍爾需要檢測是否經(jīng)過Q軸，遂取Q軸磁場進(jìn)行分析。 2 通過對計算出的磁場強(qiáng)度進(jìn)行測量，可以得出在圖示測量點處磁場強(qiáng)度為80Gs

圖4.6 Q軸放大圖

3 查閱芯片資料后選取跳變閾值為80Gs芯片作為霍爾芯片，封裝選擇插件形式。

4 確認(rèn)霍爾檢測點位置是否與第二步中挑選的位置相同，如下圖所示，圖中“E”點位置即為霍爾檢測點，其到霍爾元器件表面位置約為0.5mm。

圖4.7 封裝尺寸圖

5 “E”點到表面位置與測量點距定子內(nèi)徑距離相同，可以選擇該封裝霍爾傳感器使用，設(shè)計時使器件表面與定子內(nèi)表面在同一平面即可。

4.3霍爾軸向位置的選擇

在選定霍爾安裝槽及徑向位置后，需要確認(rèn)霍爾軸向的安裝位置，即深入定子鐵芯的距離。通過上一小節(jié)的封裝尺寸圖可以看出，霍爾檢測點距霍爾上端面有1.44mm的距離，軸向位置的基礎(chǔ)要求是轉(zhuǎn)子磁場能夠包裹霍爾檢測點，所以霍爾至少需要深入定子鐵芯1.44mm以上，對于一般設(shè)計來說，將整個霍爾元器件插入定子鐵芯較為合理，所以在設(shè)計時元器件下表面一般低于鐵芯端面1mm，如下圖所示：

圖4.8 霍爾軸向安裝位置示意圖

4.4 霍爾定位的選擇

霍爾定位方式視具體情況而定，對于定位較差的霍爾，可能會出現(xiàn)以下問題：

1 霍爾信號不變，不能隨磁場變化做出跳變。

2 霍爾信號跳變沿與反電勢過零點的電角度差過大。

3 霍爾信號占空比不準(zhǔn)確，不是精確的50%占空比。

4 兩相霍爾信號之間的電角度差值與設(shè)計值不符。

出現(xiàn)以上問題的原因均有可能是因為霍爾元器件外表面法線與電機(jī)徑向不平行。所以在設(shè)計定位方式時需要以“霍爾元器件外表面法線與電機(jī)徑向平行”為目標(biāo)。

定位方式一般分為兩種，一種是骨架定位，一種是鐵芯開槽定位。

4.4.1 鐵芯開槽定位：

鐵芯開槽定位（前文輪轂電機(jī)方案）需要在定子沖片上單獨沖壓出霍爾安裝槽，使用沖片的精度保證霍爾安裝的精度，由于量產(chǎn)鐵芯在沖壓模具上能夠保證非常小的尺寸公差，所以該方案在霍爾信號精度上較為可靠，但由于霍爾元器件裸露在電機(jī)箱體內(nèi)，對電機(jī)箱體的密封性提出了較高要求，需要在電機(jī)全壽命周期內(nèi)保證箱體不進(jìn)水、泥、沙等雜質(zhì)，否則很容易對電機(jī)傳感器造成損傷。

圖4.9 鐵芯開槽定位示意圖

4.4.2 骨架定位：

在定子鐵芯工作環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，一般選擇使用霍爾骨架定位，例如電機(jī)運行過程中有泥沙進(jìn)入、電機(jī)所處箱體內(nèi)有其他旋轉(zhuǎn)部件、工作環(huán)境中金屬雜質(zhì)較多等情況，使用帶骨架的霍爾能夠保證沒有裸露出的導(dǎo)電體，線束也能夠按照骨架限制的方向引出，有著優(yōu)秀的裝配一致性。

圖4.10某霍爾傳感器反面視圖

圖4.11某霍爾傳感器正面視圖

骨架定位形式主要結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖4.12 骨架主要結(jié)構(gòu)圖

骨架的主要定位方式如下：

1 霍爾骨架齒部外表面與定子鐵芯槽開口處配合，該配合需要槽開口在沖制時留出足夠的寬度，骨架齒部外表面設(shè)計形狀與該槽開口相配合，配合后使得骨架齒部外表面不超過定子鐵芯外表面，同時保證裝配后骨架不松動。

2 霍爾傳感器通過骨架齒部內(nèi)的霍爾插槽進(jìn)行定位，插槽形狀應(yīng)與霍爾元器件的封裝形式相同，并且確?；魻栐骷獗砻娣ň€與電機(jī)徑向平行。

3 通過螺栓與定子鐵芯進(jìn)行固定，確保軸向不發(fā)生竄動。

5霍爾傳感器的測試方法

本文僅介紹霍爾傳感器的精度測試方法。所謂霍爾精度，即霍爾傳感器跳變沿與反電勢對應(yīng)點的相位差，相位差越接近0代表霍爾精度越高。

測試準(zhǔn)備

在前期準(zhǔn)備時，按照電機(jī)反電勢測量的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備實驗設(shè)備即可，以下默認(rèn)電機(jī)能夠正常勻速旋轉(zhuǎn)，實驗室有示波器一臺。電機(jī)三相記作ABC，霍爾三相記作UVW，電機(jī)及霍爾各相一一對應(yīng)，即A-U、B-V、C-W。

測試項次

1 三相霍爾信號

2 各相霍爾信號精度

三相霍爾信號

使用三個示波器探頭分別測量霍爾三相輸出線，記錄下霍爾波形，測量以下參數(shù)：

表5.1記錄參數(shù)表

標(biāo)準(zhǔn)波形如下圖所示：

圖5.1 典型120°霍爾測試波形

時間差換算電角度公式如下：

各相霍爾精度測試

在進(jìn)行該項測試時，示波器最好選用隔離示波器，若不使用隔離示波器則可能會有高壓反電勢與低壓霍爾信號之間產(chǎn)生干擾的風(fēng)險，影響測量精度。

示波器通道1接引出線AB，測量線反電勢，通道2接U相，測量線反電勢的過零點與U相上升沿、線反電勢的過零點與U相下降沿的時間差，換算成電角度后觀察是否滿足前期設(shè)計要求。其余兩相可按照相同方法進(jìn)行測量，單位可以是時間也可以是電角度，測量完成后記錄成如下表格：

表5.2 測試結(jié)果記錄表

若實驗條件足夠，可進(jìn)行多通道同時測量，則可以在電機(jī)ABC各相上連接一顆電阻，電阻應(yīng)大于10K，將三顆電阻另一端連接在一塊，形成一個“Y”形回路，此時測量的三相反電勢即為相反電勢。霍爾跳變沿應(yīng)與兩相之間的交點相對應(yīng)，測試記錄表格與上表相同，標(biāo)準(zhǔn)測試波形如下圖所示：

圖5.2 典型6通道測試波形

6霍爾測試時常見的波形問題

以8極48槽電機(jī)為例，當(dāng)電機(jī)處于9000rpm時，反電勢頻率為600Hz，霍爾頻率為600Hz，為方便講解，使用單相反電勢與霍爾波形測試結(jié)果作為示例，其中紅色信號為霍爾波形，藍(lán)色信號為反電勢波形，根據(jù)4.4所述的問題，分別列出其典型波形圖如下：

1 正常波形如下圖所示：

2 霍爾信號不變，不能隨磁場變化做出跳變。

3 霍爾信號跳變沿與反電勢過零點的電角度差過大。

由圖可看出霍爾電信號均超前與反電勢波形，測量點1為霍爾跳變點，測量點2為反電勢過零點，測量點1、2之間時間差為96us。通過5.1中所示公式計算可得，當(dāng)前電角度差為（96/1666）*360=20.7°。 4 霍爾信號占空比不準(zhǔn)確，不是精確的50%占空比。

5 兩相霍爾信號之間的電角度差值與設(shè)計值不符。

由圖可看出，紅色相與藍(lán)色相有120°的電角度差，綠色相與藍(lán)色相電角度差不為120°，所以綠色相存在電角度分布不正確的問題。

7總結(jié)

隨著電動車的愈發(fā)普及，電車市場不斷增長，勢必會帶動下沉市場產(chǎn)品油轉(zhuǎn)電升級，在可預(yù)見的將來，該市場產(chǎn)品對霍爾方案的嘗試會逐步增多。通過本文所述的設(shè)計方法，能夠從元器件選型、霍爾檢測位置、定位方式選擇等幾個方面完成一種穩(wěn)定的霍爾傳感器設(shè)計。

審核編輯：湯梓紅