1前言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，在汽車電動(dòng)化變革的浪潮下，其設(shè)計(jì)水平得到了顯著的提高。在《中國(guó)制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中提到了國(guó)內(nèi)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)方案中，均采用旋轉(zhuǎn)變壓器（后簡(jiǎn)稱旋變）作為電機(jī)位置傳感器。通過對(duì)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(duì)比

通過對(duì)比可看出，霍爾在成本和體積上有明顯優(yōu)勢(shì)，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(jì)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(cè)到不同磁場(chǎng)時(shí)，能夠輸出不同電信號(hào)。通常芯片在輸出信號(hào)時(shí)，輸出電壓信號(hào)與磁場(chǎng)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(hào)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(shí)別對(duì)應(yīng)極性時(shí)輸出高電平，檢測(cè)到另一極性時(shí)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(cè)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(jiǎn)潔，傳感器電路板上無需布置過多元器件，這對(duì)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(duì)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(jì)師選擇。

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

霍爾在選型時(shí)還有一項(xiàng)重要參數(shù)---霍爾跳變閾值（單位Gs），即霍爾檢測(cè)到多強(qiáng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生跳變，該值的選擇會(huì)直接影響到測(cè)試結(jié)果，主要影響霍爾檢測(cè)精度，選擇過大或者過小的跳變閾值都會(huì)產(chǎn)生霍爾跳變沿與反電勢(shì)換向點(diǎn)不統(tǒng)一的問題。而換相點(diǎn)不統(tǒng)一會(huì)導(dǎo)致控制器換相超前或滯后于反電勢(shì)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(shì)常被應(yīng)用于電動(dòng)兩輪車、電動(dòng)三輪車、老年代步車等機(jī)動(dòng)車的動(dòng)力總成。該類型產(chǎn)品都有價(jià)格低、銷量高的特點(diǎn)，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(shí)由于其價(jià)格優(yōu)勢(shì)較大，能夠有效降低動(dòng)力總成價(jià)格，所以在上述價(jià)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(jì)?；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(diǎn)到傳感器最高點(diǎn)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(shì)。

圖3.1輪轂電機(jī)實(shí)物圖

3.2兩輪燃油車

在兩輪燃油車領(lǐng)域，隨著法規(guī)對(duì)排放的要求提高，兩輪車自動(dòng)啟停技術(shù)的到了重視，與摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直連的發(fā)電機(jī)成為了改造對(duì)象，通過增加霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，能將發(fā)電機(jī)用作啟動(dòng)電機(jī)，是當(dāng)前兩輪車發(fā)展的趨勢(shì)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(jì)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(jì)

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(duì)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(duì)比

通過對(duì)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(huì)以有骨架霍爾為例，講解霍爾傳感器設(shè)計(jì)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(chǎng)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(gè)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(duì)于60°與120°的選擇，需要以控制器程序?yàn)闇?zhǔn)，采用不同的角度，輸出信號(hào)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(hào)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(jì)值。

當(dāng)確定好電角度設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于一對(duì)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(shí)，霍爾布置的機(jī)械角度就會(huì)隨之縮小，例如四對(duì)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(jì)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(gè)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(jì)算，即可確定各霍爾安裝位置，對(duì)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(jì)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(cè)到磁場(chǎng)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(huì)超前或滯后于換向點(diǎn)。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(chǎng)強(qiáng)度越弱，離磁鐵越近的位置磁力線越密，即磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)。根據(jù)前述的霍爾原理，當(dāng)檢測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度高于或者低于閾值時(shí)，霍爾信號(hào)發(fā)生跳變，所以選擇檢測(cè)的具體位置即是選擇霍爾跳變的電角度。

在考慮該距離時(shí)需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真或測(cè)量，同時(shí)需要考慮霍爾安裝位置是否會(huì)對(duì)鐵芯產(chǎn)生影響，是否會(huì)對(duì)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(cè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生不同向電勢(shì)（反電勢(shì)過零點(diǎn)），所以霍爾需要檢測(cè)是否經(jīng)過Q軸，遂取Q軸磁場(chǎng)進(jìn)行分析。 2 通過對(duì)計(jì)算出的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，可以得出在圖示測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)位置即為霍爾檢測(cè)點(diǎn)，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(diǎn)到表面位置與測(cè)量點(diǎn)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(jì)時(shí)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(cè)點(diǎn)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(chǎng)能夠包裹霍爾檢測(cè)點(diǎn)，所以霍爾至少需要深入定子鐵芯1.44mm以上，對(duì)于一般設(shè)計(jì)來說，將整個(gè)霍爾元器件插入定子鐵芯較為合理，所以在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于定位較差的霍爾，可能會(huì)出現(xiàn)以下問題：

1 霍爾信號(hào)不變，不能隨磁場(chǎng)變化做出跳變。

2 霍爾信號(hào)跳變沿與反電勢(shì)過零點(diǎn)的電角度差過大。

3 霍爾信號(hào)占空比不準(zhǔn)確，不是精確的50%占空比。

4 兩相霍爾信號(hào)之間的電角度差值與設(shè)計(jì)值不符。

出現(xiàn)以上問題的原因均有可能是因?yàn)榛魻栐骷獗砻娣ň€與電機(jī)徑向不平行。所以在設(shè)計(jì)定位方式時(shí)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(dú)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(hào)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(duì)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(duì)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(yùn)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(shí)留出足夠的寬度，骨架齒部外表面設(shè)計(jì)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(shí)保證裝配后骨架不松動(dòng)。

2 霍爾傳感器通過骨架齒部?jī)?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，并且確保霍爾元器件外表面法線與電機(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(dòng)。

5霍爾傳感器的測(cè)試方法

本文僅介紹霍爾傳感器的精度測(cè)試方法。所謂霍爾精度，即霍爾傳感器跳變沿與反電勢(shì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相位差，相位差越接近0代表霍爾精度越高。

測(cè)試準(zhǔn)備

在前期準(zhǔn)備時(shí)，按照電機(jī)反電勢(shì)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備即可，以下默認(rèn)電機(jī)能夠正常勻速旋轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)室有示波器一臺(tái)。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(duì)應(yīng)，即A-U、B-V、C-W。

測(cè)試項(xiàng)次

1 三相霍爾信號(hào)

2 各相霍爾信號(hào)精度

三相霍爾信號(hào)

使用三個(gè)示波器探頭分別測(cè)量霍爾三相輸出線，記錄下霍爾波形，測(cè)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(cè)試波形

時(shí)間差換算電角度公式如下：

各相霍爾精度測(cè)試

在進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，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(huì)有高壓反電勢(shì)與低壓霍爾信號(hào)之間產(chǎn)生干擾的風(fēng)險(xiǎn)，影響測(cè)量精度。

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

表5.2 測(cè)試結(jié)果記錄表

若實(shí)驗(yàn)條件足夠，可進(jìn)行多通道同時(shí)測(cè)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(gè)“Y”形回路，此時(shí)測(cè)量的三相反電勢(shì)即為相反電勢(shì)。霍爾跳變沿應(yīng)與兩相之間的交點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，測(cè)試記錄表格與上表相同，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形如下圖所示：

圖5.2 典型6通道測(cè)試波形

6霍爾測(cè)試時(shí)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(shí)，反電勢(shì)頻率為600Hz，霍爾頻率為600Hz，為方便講解，使用單相反電勢(shì)與霍爾波形測(cè)試結(jié)果作為示例，其中紅色信號(hào)為霍爾波形，藍(lán)色信號(hào)為反電勢(shì)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(hào)不變，不能隨磁場(chǎng)變化做出跳變。

3 霍爾信號(hào)跳變沿與反電勢(shì)過零點(diǎn)的電角度差過大。

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

5 兩相霍爾信號(hào)之間的電角度差值與設(shè)計(jì)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(dòng)車的愈發(fā)普及，電車市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)下沉市場(chǎng)產(chǎn)品油轉(zhuǎn)電升級(jí)，在可預(yù)見的將來，該市場(chǎng)產(chǎn)品對(duì)霍爾方案的嘗試會(huì)逐步增多。通過本文所述的設(shè)計(jì)方法，能夠從元器件選型、霍爾檢測(cè)位置、定位方式選擇等幾個(gè)方面完成一種穩(wěn)定的霍爾傳感器設(shè)計(jì)。

審核編輯：湯梓紅