Определение положения ротора и применение датчиков Холла. Устранение "мертвых точек" в двухфазных вентильных двигателях

1.4. Определение положения ротора и применение датчиков Холла.

Для определения положения полюсов на роторе вентильного двигателя постоянного тока устанавливаются дополнительные технические средства. В настоящее время применяются следующие датчики положения: элементы Холла; светодиоды и фототранзисторы (или фотодиоды); индуктивные датчики, чувствительные к изменению индуктивного сопротивления

1.4.1. Элементы Холла.

При протекании электрического тока I_с по полупроводниковой пластинке, расположенной перпендикулярно магнитному полю, в пластинке наводится ЭДС V_H, направление которой перпендикулярно как току I_с, так и магнитной индукции В (рис.14) . Поскольку ЭДС действует на заряженные частицы (электроны или дырки) в соответствии с правилом левой руки, то заряженные частицы смещаются к левой стороне полупроводниковой пластинки. Полярность ЭДС зависит от типа проводимости полупроводника (р- или n-тип). Значение ЭДС, называемой напряжением Холла, определяется следующим образом:

V_H= - (B I_сR_H)/d(1)

где R_H- постоянная Холла, м³ • А^-1 • с^-1, I_с - электрический ток, А; В — магнитная индукция, Тл; d— толщина полупроводниковой пластинки, м.

Рис.14 Эффект Холла: а - р - n-тип; 6 - п - р-тип;   1 – электроны; 2 – дырки.

Это явление, открытое Холлом в 1878 г. на основании экспериментальных исследований с металлическим сегментом, получило название эффекта Холла. Эффект Холла особенно сильно выражен в некоторых соединениях металлов или в полупроводниках. Полупроводниковые приборы, предназначенные для определения магнитных полей, называются датчиками Холла или генераторами Холла. В современных вентильных двигателях постоянного тока широко применяются датчики Холла n-типа на основе InSb и GaAs.

1.4.2. Принцип определения положения ротора с помощью датчиков Холла.             На рис.15 показана эквивалентная схема датчика Холла, представленная в виде цепи с четырьмя выводами. Как было показано выше, при протекании управляющего тока или тока смещения I_с от вывода 3 к выводу 4 элемента Холла, помещенного в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости элемента, на выводах 1 и 2 элемента наводится холловское напряжение U_н. Если предположить, что R₁=R₂и R₃=R₄ и принять вывод 4 за общую точку схемы, то потенциалы выводов 1 и 2 равны соответственно U/2 и U_H/2. Далее при изменении направления

	Рис. 16  Кривые выходных напряжений датчиков Холла: N,S – полюса ротора.

Рис. 15  Эквивалентная схема датчика Холла.

магнитного поля меняется поляр -ность наводимого на элементе напряжения, что показано на рис.16. Поэтому если разместить элемент Холла вблизи ротора с постоянным магнитом, то этот элемент точно выявляет положение полю сов и значение магнитной индукции, гене -рируя выводные  напряжения U_Н1и U_Н2.

1.4.3.     Практические  методы  определения  положения ротора. На рис.17, а показан простейший вентильный двигатель  постоянного тока   с   элементом   Холла,   расположение   которого   изображено   на рис.17, б. Для управления токами в обмотках W1 и W2 выходные сигналы датчика Холла поступают на вход транзисторов VT1 и VT2. На рис.18 показаны следующие состояния вращающегося ротора:

элемент Холла определяет северный полюс постоянного магнита ротора и подключает обмотку W2 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, вызывающий вращение ротора против часовой стрелки (рис. 18, а);

элемент Холла выходит из-под действия магнитного поля, что приводит к запиранию обоих транзисторов и обесточиванию обмоток W1 и W2. Ротор продолжает по инерции вращаться против часовой стрелки (рис.18, б);

элемент Холла определяет южный полюс ротора и подключает обмотку W1 таким образом, что на полюсном башмаке обмотки образуется южный полюс, притягивающий северный полюс ротора, продолжая вращение ротора против часовой стрелки (рис.17, в)

			Рис. 18   Создание   электромагнитного момента, вращение и коммутация обмоток двигателя: 1 - элемент Холла
	Рис.17 . Принцип действия вентильного двигателя постоянного тока, использующего элемент Холла (1)

 

1.4.4. Холловские интегральные схемы.

Для усиления выходных сигналов, как было показано выше, совместно с элементом Холла необходимо использовать один транзистор или более. В настоящее время на одном кристалле устанавливаются как элемент