锁存型霍尔IC

#09 磁传感器基础知识

霍尔IC是一种能够进行高/低电平数字信号输出的传感器,交替检测S极和N极磁场的霍尔IC被称为锁存型霍尔IC。本页将介绍锁存型霍尔IC的应用示例。

什么是锁存型霍尔IC?

特点

锁存型霍尔IC通过磁铁S极和N极的磁极切换进行工作(参见“霍尔IC的原理与分类”),长期以来,被广泛用于直流无刷电机转子磁铁的磁极检测。近年来,锁存型霍尔IC还被用于简单的旋转编码器等应用中(AKM EW系列霍尔IC具有高灵敏度和高速运行的特点,被广泛应用于直流无刷电机中)。

典型应用实例

(1) 直流无刷电机

直流无刷电机利用直流电旋转,可高效运行且无需维护,应用于空调风机和白色家电的主电机中。相关原理的详细信息,可参阅“超高灵敏度霍尔元件”一文。

直流无刷电机的主要构成部件是磁铁、霍尔IC和线圈。

所谓的转子,即是一块磁铁,位于中心位置,如图1所示。定子是一个线圈,根据霍尔IC的输出信号进行通电或断电。霍尔IC安装在转子磁铁产生最大磁场的位置,以检测转子磁铁的磁场。霍尔IC能够有效控制通电线圈,通过定时切换线圈产生的磁场位置和方向,反复与转子磁铁发生相吸相斥,使转子磁铁朝一个方向持续旋转。

图1 直流无刷电机原理图 图1 直流无刷电机原理图

这基本上只是将超高灵敏度霍尔元件(1)直流无刷电机的霍尔元件替换成霍尔IC,而使用霍尔IC后不再需要霍尔元件后段的放大电路,并且输出电压为高/低电平数字信号,具有很好的抗噪性能,尤其适用于电机与微控制器的接线较长的情况。输出信号可以直接输入到微控制器中,使用更加方便。

(2) 旋转编码器(增量式)

旋转编码器是一种用于测量旋转位置、旋转角度和旋转次数的传感器装置,适用于电机的旋转控制和旋转体角度位置检测。

旋转编码器的主要构成部件包括多极磁铁、两颗霍尔IC和旋转轴。

将圆柱形或圆环形多极磁铁安装在旋转轴上,使其与旋转方向保持水平。

以磁铁的S极和N极的一个极对为一周期时,两颗霍尔IC分别安装在相隔1/4周期的位置上。

*单颗霍尔IC也能检测磁极的切换,进而检测旋转位置和旋转角度。而通过配置两颗霍尔IC,可以提高旋转角度的检测分辨率,以及检测旋转方向。

图(2a)为转子沿顺时针旋转的示例。当磁铁旋转时,两颗霍尔IC的输出信号每1/4周期变化一次,通过输出信号变化可以检测出旋转体的运动距离。当磁铁进一步旋转时,霍尔IC输出一个脉冲序列,可以通过计算脉冲数来检测旋转次数。

此外,对两颗霍尔IC的输出信号进行逻辑运算,能够以二进制形式输出磁铁的旋转方向。

图(2a) 增量式旋转编码器的CW旋转状态和输出波形 图(2a) 增量式旋转编码器的CW旋转状态和输出波形

图(2b)为转子沿逆时针旋转的示例。与图(2a)一样,输出信号以1/4周期变化,主要区别在于输出信号切换和顺时针方向时相反。

例如,在图(2a)的顺时针方向上,两颗霍尔IC在位置(4)和(8)时输出高电平,而在旋转1/4圈后的位置(5)和(9),则输出H1:L和H2:H。

当逆时针旋转时,两颗霍尔IC在位置(7)和(3)输出高电平,而在旋转1/4圈后的位置(6)和(2),输出H1:H和H2:L,即H2先切换了输出信号,切换顺序发生了逆转。

因此,通过霍尔IC输出信号的切换顺序,可以检测出电机的旋转方向。例如,通过触发H1的上升沿和下降沿来进行两个输出信号的XOR逻辑运算,就可以得到H或L的结果,从而判断旋转的方向。

图(2b) 增量式旋转编码器的CCW旋转状态和输出波形 图(2b) 增量式旋转编码器的CCW旋转状态和输出波形

为什么锁存型霍尔IC适合用于旋转检测?

使用开关式霍尔IC进行转子检测,根据磁极数的不同,虽然输出的脉冲数与锁存型霍尔IC相同,但是占空比相对较差(图3)。

这是因为在锁存型霍尔IC中,Bop/Brp在0磁场上对称设置,占空比为50%,而在开关式中,Bop/Brp设置在同一极点。在单极检测情况下,N极区域为高电平输出,低电平时间较短。

图3 锁存型霍尔IC和开关式霍尔IC进行旋转磁铁的磁场检测时输出电压的差异 图3 锁存型霍尔IC和开关式霍尔IC进行旋转磁铁的磁场检测时输出电压的差异

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