霍尔元件检测的应用及优化

第一种检测方法如图6-1所示，是利用霍尔元件检测电流。霍尔元件检测原理是在被切去一部分的铁心上绕上导线，然后在铁心的切口处放置霍尔元件，通过检测霍尔元件的输出电压来检测电流。在PWM逆变驱动电路模式下，如果把电动机定子绕组相端子的导线绕在缺口铁心上，变化的相电流改变了磁场强度，从而使霍尔元件输出电压发生变化，这个微小的变化通过差分运放及驱动补偿后，输出电压或者电流的检测信号。这种直放式霍尔电流传感器性能稳定，可靠性高，且电路简单，但是带宽较窄，适合于测量直流到数千赫电流。

图6-1 霍尔元件的电流检测原理

磁平衡式霍尔电流传感器是在前述原理的基础上，加上了磁平衡原理。即集磁环上增加补偿线圈N₂，一次电流所产生的磁场作用于霍尔元件，输出电压信号经过功率放大器输出补偿电流，补偿电流作为负反馈流入二次补偿线圈。二次补偿线圈产生的磁场与一次电流产生的磁场相反，因而补偿了一次磁场，使霍尔输出逐渐减小，当一次和二次磁场相等时，补偿电流不再增大，这就是磁平衡检测的原理，如图6-2所示。

图6-2主要由磁电转换部分、放大部分及驱动补偿线路部分组成。其瞬态工作过程如下：当I₀通过磁环，霍尔元件检测出N₁I₀所产生的磁场信号，经功率放大器A输出U₀，并提供反馈电流I。由于N₂为补偿线圈，I流过线圈时不会发生突变，而是逐渐上升。N₂I所产生的磁场补偿了N₁I₀所产生的磁场，使霍尔元件输出降低，同时减慢I上升。当N₂I=N₁I₀时，磁场为零，霍尔元件输出为零。由于线圈的缘故，I还会再上升，这样N₂I＞N₁I₀，使霍尔元件输出变号，同时I减小。如此反复在平衡点附近作振荡，因此这样的平衡为动态平衡。建立时间往往在1μs以内，整个测量回路形成闭环系统。从图中分析可以得到，整个回路的频响，关键在于中间的功率放大器部分，放大级往往设计成具有较大的增益和较高的电压上升速率，这样才能保证I快速跟随I₀，因此它与直放式相比，能够使测量回路具有较宽的带宽和较高的测量准确度。

图6-2 磁平衡式霍尔电流传感器检测原理(www.xing528.com)

目前大部分市售的霍尔检测元件已被制造成模块化产品，从厂商提供的性能表中可看出，霍尔磁平衡式电流传感器一般响应时间在1μs以内，上升速率可达到50A/μs，带宽为0～50kHz，检测相对误差低于1%，并且利用调整线圈的匝数，检测范围可以从1A以下的小电流，直至100A以上的大电流。因此常被用于伺服控制系统中，作为电流检测装置。

为了满足A-D采样器件的输入要求，通常这种电流传感器需要外置运放电路，如图6-3所示。图中是一种霍尔电流传感器的典型采样电路，由于TI公司的某些DSP芯片内部的模-数转换器（ADC）模块要求输入0～3V的单极信号，因此必须将霍尔电流传感器（LEM电流传感器）输出的小电流信号转换为电压信号（电阻R₁两端），再经过放大滤波（AD7650放大器）后输入DSP。这样，就可将具有正负极性的电流反馈信号转换成单极性信号送入DSP。

图6-3 LEM传感器电流采样电路

考虑到这种较为理想的电流传感器成本相对较高，下节介绍另外一种电流检测方法，其特点是在检测20A以下的小电流的场合，具有价格优势，并且同样具有较高的测量准确度。