淺析電動車電機霍爾和檢測儀的原理

文/ 江蘇林海雅馬哈摩托有限公司　蔣志偉

淺析電動車電機霍爾和檢測儀的原理

文/ 江蘇林海雅馬哈摩托有限公司蔣志偉

摘要：隨著無刷電機的普及與推廣，電動車電機基本都已使用無刷電機，而無刷電機的故障中80%都是由于霍爾元件造成的。本文介紹了電機霍爾的工作原理和一款簡易的電機霍爾檢測儀的原理，從原理上進行分析，可以快速判斷出電機霍爾的好壞，為維修提供方便。

一、電動車電機霍爾原理

（一）無刷電機的優(yōu)點

無刷直流電動機之所以被廣泛應(yīng)用于電動車，是因為它與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優(yōu)勢。

（1）壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由于電機轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動機的優(yōu)勢很明顯。

（2）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通常可高于85%，但考慮到實際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。

（二）電機霍爾工作原理

電動車整車電氣系統(tǒng)由電源、操作開關(guān)、顯示模塊、控制器和電機組成（圖1）。其中電源是整個系統(tǒng)能量的來源；操作開關(guān)包括調(diào)速轉(zhuǎn)把、剎把、前燈開關(guān)等；顯示模塊包括電池電量顯示和速度顯示等；控制器是整個系統(tǒng)的核心部件；電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的部件。

圖 1

當電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的平行于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，按照功能不同，又可分為線性器件和開關(guān)器件。電動車電機中的霍爾元件正是利用后者在磁場變化中，霍爾元件只呈現(xiàn)低電平（近0V）和高電平（近5V）的特點，判斷電機磁場位置的變化，反饋給控制器，控制器根據(jù)位置不同給不同的相線電流驅(qū)動，達到連續(xù)轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。

采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，從而實現(xiàn)電樞電流的換向，維持電機的正常運轉(zhuǎn)。用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式轉(zhuǎn)向器和電刷，具有可靠性高，無換向火花，機械噪聲低等優(yōu)點。

圖 2

（三）電機相位

電動車用無刷電機常見的相位代數(shù)角有60°和120°兩種。兩者并無本質(zhì)區(qū)別，外觀上60°電機三個霍爾元件全部正面安裝；120°電機只是將三個霍爾元件的中間一個反面安裝，當然兩者的驅(qū)動譯碼表也就不同了。

與120°電機不同，60°電機霍爾有000和111兩個特殊狀態(tài)，即三個霍爾全部輸出低電平或高電平狀態(tài)，而電機則沒有000和111狀態(tài)，因此需要控制器特別處理這兩個特殊信號才能正常運轉(zhuǎn)電機和控制器。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了智能型無刷控制器，它具有自動識別電機相角的功能，能同時實現(xiàn)60°和 120°兩種相角的無刷電機驅(qū)動。

圖 3

（四）霍爾元件損壞原因

霍爾元件損壞的主要原因是瞬間高壓擊穿、元件質(zhì)量問題等。一般霍爾元件的電流是比較小的，6MA-20MA左右，一般是由于電壓擊穿（尖脈沖電壓，電機線圈容易產(chǎn)生），霍爾信號輸出端短路引起損壞的。霍爾內(nèi)部熱穩(wěn)定性不好，參數(shù)飄逸也是造成控制系統(tǒng)不正常的原因。

一旦電機中霍爾元件出現(xiàn)故障，電動車會出現(xiàn)無力、帶不起負載等現(xiàn)場，需要及時處理。

二、霍爾檢測儀原理

（一）萬用表檢測法

常規(guī)的檢測方法有萬用表檢測

首先用萬用表二極管檔測量各個霍爾元件的壓降，紅筆接電機霍爾紅色線，黑筆分別接電機黃、綠、藍霍爾線，其壓降讀數(shù)應(yīng)大概相同。再使用+20V直流電壓檔，黑筆接電機霍爾黑色線，紅筆分別接電機黃、綠、藍霍爾線，在測量每個霍爾元件的時候需要輕微轉(zhuǎn)動電機，其電壓讀數(shù)應(yīng)在0-5V間變化，有則證明該霍爾元件完好，反之，則該霍爾元件出現(xiàn)故障。

圖 4

（二）霍爾檢測儀

與第一種方法相比，該檢測儀是集成電路的方法，更加方便直觀。根據(jù)霍爾元件的特點，圖4是檢測儀的電路原理圖。電源使用+5V電源，由3個發(fā)光二極管與3個電阻串聯(lián)構(gòu)成電機霍爾的檢測回路，分別對應(yīng)電機霍爾的藍、黃、綠線。與電機霍爾連接后，轉(zhuǎn)動電機，觀察檢測儀上的發(fā)光二極管。當霍爾元件正常工作時，儀器上的發(fā)光二極管依次循環(huán)點亮，如果其中的任意一個或兩個霍爾元件發(fā)生損壞時，對應(yīng)的發(fā)光二極管不亮或者長亮。由此快速判斷出電機霍爾的好壞，為維修提供了方便。

（三）注意事項

由于霍爾元件本身體積較小，更換時應(yīng)特別注意損壞，電烙鐵功率不宜過大且焊接時間不宜過長，否則元件可能會被高溫燙壞。更換時，還應(yīng)佩戴防靜電手環(huán)。

（編輯：傅金睿）