探究驱动电机用霍尔传感器的设计方法 1

1 前言

#驱动电机作为电动汽车的核心部件之一，在汽车电动化变革的浪潮下，其设计水平得到了显著的提高。

在《中国制造2025重点领域技术路线图》中提到了国内驱动电机的发展目标：2020年、2025年和2030年乘用车20秒有效比功率要分别达到3.5、4和5kW/kg以上，商用车30秒有效比扭矩要分别达到18、19和20N·m/kg以上。在严苛目标的指引下，各种电机方案在被陆续尝试。

在当下各主流车企采用的驱动电机方案中，均采用旋转变压器（后简称旋变）作为电机位置传感器。通过对比霍尔传感器与旋变得出下表：

表1.1 霍尔传感器与旋变参数对比

项目	单位	霍尔	旋变
成本	￥	5	80
精度	′	15-30	5-15
体积	/	小	大
工作温度范围	℃	-40-150	-55-155
传感器新品开发周期	/	短	长
电驱动程序适配	/	难	易

通过对比可看出，霍尔在成本和体积上有明显优势，在合适工况下，霍尔是一种更优于旋变的选择，综上，本文介绍了一种通用的霍尔设计方法。

2 霍尔元器件介绍

霍尔芯片基于霍尔效应制作，在元器件中有一块霍尔效应板，元器件功能框图如下：

图2.1 霍尔元器件功能框图

当霍尔效应板检测到不同磁场时，能够输出不同电信号。通常芯片在输出信号时，输出电压信号与磁场极性有迟滞关系。如下图所示：

图2.2 霍尔元器件输出特性

同一型号霍尔元器件一般分为南极款芯片与北极款芯片，两款芯片分别在识别对应极性时输出高电平，检测到另一极性时输出低电平。

芯片的输出电压取决于芯片的供电电压，有常用芯片能够做到3-24V输出可调。该选型取决于控制器控制板所给定的电源电压及检测引脚能够承受的电压。一般来说电压越高抗干扰能力越强。

霍尔元器件的外围电路简洁，传感器电路板上无需布置过多元器件，这对小体积应用非常友好。通常在外围电路中仅需要上拉电阻及滤波电容即可。其典型外围电路如下图所示：

图2.3 霍尔元器件典型外围电路

对于同一款霍尔，在不同工况下需选择不同耐温或者不同封装来匹配具体的应用环境，芯片厂商往往能够提供多种耐温规格及多种封装形式的芯片供设计师选择。

对于不同极数、不同最高转速的电机，需要计算出反电势最高频率，并在选型时选择大于该频率的芯片。

霍尔在选型时还有一项重要参数---霍尔跳变阈值（单位Gs），即霍尔检测到多强的磁场产生跳变，该值的选择会直接影响到测试结果，主要影响霍尔检测精度，选择过大或者过小的跳变阈值都会产生霍尔跳变沿与反电势换向点不统一的问题。而换相点不统一会导致控制器换相超前或滞后于反电势换相，影响电机输出能力。

表2.1 A122X霍尔选型表

3 行业典型应用

霍尔传感器由于其小体积、低成本的优势常被应用于电动两轮车、电动三轮车、老年代步车等机动车的动力总成。该类型产品都有价格低、销量高的特点，电机可以通过缩小传感器所占用的空间，来降低电机壳体重量，同时由于其价格优势较大，能够有效降低动力总成价格，所以在上述价格敏感产品中有着广泛的应用。

3.1 轮毂电机

在应用中仅使用“PCB板+霍尔元器件+线”的形式就完成了完整霍尔传感器的设计。霍尔元器件使用定子铁芯开槽的方式进行安装固定。从轴向尺寸上观察，传感器整体高度在8mm以内，若取端部绕组过桥线处最高点到传感器最高点的距离，该距离可小于5mm，即在端部绕组上增加5mm高度即可完成霍尔传感器的安装，充分体现了霍尔传感器小体积的优势。

图3.1 轮毂电机实物图

3.2 两轮燃油车

在两轮燃油车领域，随着法规对排放的要求提高，两轮车自动启停技术的到了重视，与摩托车发动机曲轴直连的发电机成为了改造对象，通过增加霍尔传感器，实现对发电机的控制，能将发电机用作启动电机，是当前两轮车发展的趋势之一。

如下图所示的电机即为改装后的发电机，图示位置为霍尔传感器，该方案设计有外骨架进行霍尔安装，内部使用贴片式霍尔，在霍尔组装完成后进行灌封，霍尔总成的稳定性得到较大提升。

图3.2 典型两轮车点击实物图