霍尔传感器在电动机车测速中的应用


    测速装置在机车控制系统中占有非常重要的地位，对侧速装置的要求是分辨能力强、高和尽可能短的检测时间。介绍了应用霍尔传感器通过测量磁场强度，来得到稳定的脉冲方波信号，实现机车转速的测量。


    霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高和尽可能短的检测时间。发电机转速的检测方案可分成两类：用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号，它运行可靠，但体积大，低，且由于测量值是模拟量，必须经过A/D转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按发电机转速高低，每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器，能够实现高性能检测。


    所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器要求成本低，构造简单，性能好。在机车电气系统中存在着较为恶劣的电磁环境，因此要求产品本身要具有较强的抗干扰能力。


    霍尔传感器的原理


    1．霍尔效应


    在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。


    2.工作原理


    霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。


    侧量磁场及工作设置


    1．测量磁场


    使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直子霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。


    2.工作磁体的设置


    用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用磁钢来产生工作磁场。在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当冀片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在冀片上。这种方法的检测很高，在125℃的温度范围内，冀片的位置重复可达50μm。当两齿之间的空隙正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当某一齿对准霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，因而引起霍尔电压的变化，霍尔元件将输出一个mV级的准方波电压。此信号还需由电子电路转换成标准的脉冲电压，当外加磁场的S极接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正。


    也可将工作磁体固定在霍尔器件（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。在图2的霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。霍尔效应传感器感测的是磁通量的大小。


    霍尔电路设计


    1．工作方法


    当该霍尔器件处在任何极性的恒定磁场中时，其上的两个霍尔传感器将产生同样的输出信号。无论该磁场的强度有多大，它们之间的差值总为零。然而，由于一个单元面向磁场集中的轮齿，另一个单元则面向一个齿隙，如果两个霍尔单元之间存在磁场梯度，那么将产生一个差值信号，并在芯片上放大。实际上，这个差值体现了一个小偏移，它可由相应集成的控制电路来修正。这种动态差分原理使传感器表面与齿轮之间存在较大气隙的条件下能保持高灵敏度。


    2.齿轮、感应距离和角


    一个齿轮可由其模数来表征：m＝d/z。其中d是齿轮直径，Z是轮齿数量。轮齿到轮齿的距离为T，齿距的计算公式为T=πm、当一个霍尔传感器面对一个轮齿而另一个霍尔传感器面对一个齿隙时，感应到的差值。该器件内两个霍尔传感器的间隔为2.5mm，在模数为1，对应的齿距为3.14win的条件下，该器件都可以感应到差值。如果该模数大于3或者齿轮不规则，将可能在一段较长时间内检测不到足够的差值，这意味着输出信号将不确定。传感器和齿轮之间允许的距离是温度、模数、磁体和速度的一个函数，速度可以用每次轮齿/齿隙转变时在输出端出现一个脉冲来表征。如果减小距离，将产生较大的有用信号。因此，切换可以随传感器低／高转变次数的增加而增加，这种低／高转变可以代表齿轮的一个旋转角度。


    3.电路图设计


    当霍尔元件输出高电平时，V2导通，V1截止，信号输出端输出方波的低电平；当霍尔元件输出低电平时，V1导通，V2截止，输出端为方波的高电平。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT（T＝πm）。