如何分析和处理霍尔元件检测磁场及其变化？

根据“变频器上电或一运行就过电流”的现象初步断定该变频器的电流传感器有问题。通过分析线路板发现，该变频器在U和V输出端安装了两个霍尔传感器，如图17-16所示。

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔元件可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。而且霍尔线性元件的精度高、线性度好；霍尔开关元件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

图17-16 变频器的电流传感器安装位置

霍尔电流传感器的构成原理如图17-17所示。用一环形导磁材料作成磁心，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁心上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图17-17a所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图17-17b所示的传感器用于检测较大的电流。实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。

图17-17 霍尔电流传感器的构成原理

a）测量较小电流 b）测量较大电流

1.直接测量式霍尔电流传感器

将图17-17中霍尔元件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔元件是磁场检测器，它检测的是磁心气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁心可能达到饱和；随着频率升高，磁心中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁心材料；制成多层磁心；采用多个霍尔元件来进行检测等。

这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家在生产。

2.零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器

如图17-18所示，将霍尔元件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件I₁N₁=I₂N₂，则磁心中的磁通为0，这时下式成立：(www.xing528.com)

式中，I₁为被测电流，即磁心中一次绕组中的电流；N₁为一次绕组的匝数；I₂为补偿绕组中的电流；N₂为补偿绕组的匝数。

由上式可知，达到磁平衡时，即可由I₂及匝数比N₂/N₁得到I₁。

这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡。建立平衡所需的时间极短。平衡时，霍尔元件处于零磁通状态。磁心中的磁感应强度极低（理想状态应为0），不会使磁心饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。恰当地选择磁心材料和线路元件，可做出性能优良的零磁通电流传感器。

霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的影响，检测电路也不受被检电路的影响。

根据以上两种原理，就能大致了解图17-19所示的变频器电流采样电路。

图17-18 霍尔零磁通电流传感器

图17-19 变频器电流采样电路

图17-19所示的电流采样电路具有一定的代表性，它实际上就是一个电流/电压转换器的电路，其主体为一圆形空心磁环（单匝或多匝），磁环有一个缺口，在该缺口中嵌入了四引线的霍尔元件。变频器的三相输出线作为一次绕组穿过铁心磁环，磁环的磁力线穿过霍尔元件的封装端面，最后转变为感应电压输出。变频器的电流采样电路主要由霍尔元件和一只精密双运放电路4570组成，其中4570a接成恒流源输出方式，提供霍尔元件正常工作所需的3～5mA恒定电流；随后加至霍尔元件的④和②脚。霍尔元件的①和③脚随输出电流变化而变化的感应电压，加到4570b的②、③脚的两个输入端。

变频器在停机状态时，对地测量电流采样电路输出端OUT应为0V，在运行中，则随电流大小成比例输出电压/电流信号。如果传感器损坏，在变频器停机时即输出一个正或负的较高的直流电压。