终于把 Hall 传感器讲明白了：从霍尔效应到电机位置检测

做硬件的朋友应该经常看到一个东西：

Hall Sensor，霍尔传感器。

电机里面有，手机摄像头模组里面有，电源里面有，新能源汽车里面也有。

但是很多人对 Hall 的理解其实停留在：

“Hall 不就是检测磁铁的吗？”

其实远不止如此。

Hall 传感器真正做的事情只有一句话：

把磁场转换成电信号。

今天不讲太复杂的公式，就从工程师的角度，把 Hall 传感器一次讲明白。

① Hall 是什么？

先从最基本的霍尔效应说起。

当电流通过半导体材料时，如果在垂直方向施加一个磁场，材料内部的载流子会受到磁场作用发生偏转。

于是，在垂直于电流和磁场的方向上，就会产生一个电压。

这个电压就是：霍尔电压 VH。

这里有一个非常重要的特点：

Hall 可以检测静态磁场。

比如一个永磁铁放在那里不动，Hall 依然可以检测到它。

这一点和利用电磁感应的线圈不一样。

线圈更擅长检测：变化的磁场。

而 Hall 可以直接检测磁场本身，这也是 Hall 传感器能够广泛应用的原因。

② Hall 传感器有哪些？

实际工程中，我们经常遇到的 Hall，大致可以分成三类：

开关型 Hall、锁存型 Hall、线性 Hall。

① 开关型 Hall

如下图所示：

全极功能

响应北极和南极的磁通

单极功能

所以它本质上就是一个：磁场控制的电子开关。

② 锁存型 Hall

锁存型 Hall 可以简单理解成：

磁场来了，输出翻转；另一个方向的磁场来了，再翻回来。

因此特别适合：

旋转运动。

这也是为什么 BLDC 电机里面经常看到 Hall。

当器件上电时，它会测量第一个磁性样本并设置 ton 时间内的输出。输出被锁存，器件进入超低功耗睡眠状态。在每个 ts 时间后，器件会测量一个新的样本，并在必要时更新输出。如果磁场在各周期之间没有变化， 则输出不会改变。

锁存时序图如下：

③ 线性 Hall

线性 Hall 就不是简单告诉你：“有磁场 / 没磁场。”

而是告诉你：“现在磁场有多大。”

比如TI DRV5055通电后：

假设使用 DRV5055A3，VCC = 3.3V，温度为 50°C，施加 67mT。 在不考虑容差的情况下，VOUT = 1650mV + 67mT × (15mV/mT × (1 + 0.0012/°C × (50°C – 25°C))) = 2685mV。

③ 为什么 BLDC 电机里面经常有 3 个 Hall？

这个可能是硬件工程师最常遇到的 Hall 应用。

BLDC，也就是无刷直流电机，它没有传统有刷电机那样的机械换向器。

上图为BLDC三相逆变电路，那么问题来了：

MCU 怎么知道现在应该让哪一对MOSFET导通？

答案就是：需要知道转子的位置，而 Hall 就负责检测转子位置。

当转子转到不同位置时，三个 Hall 感受到的磁场不同，于是输出不同的高低电平组合。

转子转动 》 磁场发生变化 》 3个Hall检测 》 H1/H2/H3 状态变化》 MCU 》 查换相表 》 控制三相 MOSFET 》 定子产生旋转磁场 》 吸引/推动转子 》 转子继续转 》 Hall状态再次变化 》 循环…

三个 Hall 会随着转子旋转产生不同的高低电平组合，所以 MCU 实际看到的是：001 → 101 → 100 → 110 → 010 → 011 → ……

MCU 怎么控制 MOSFET？

每一个 Hall 状态，都对应一个换相状态。

常见的六步换相方式：

④ Hall 传感器常用的磁场单位

1 T = 1000 mT = 10,000 G
1 mT = 10 G
1 G = 100 µT = 100,000 nT

⑤ Hall 传感器选型看什么？

真正开始选 Hall IC 的时候，Datasheet 里面会出现一堆参数。

不用一上来全部看，工程上先抓住这几个。

① Bop：动作点

Bop = Operating Point

可以简单理解成：

磁场达到多少以后，Hall 开始动作。

② Brp：释放点

Brp = Release Point

磁场开始下降以后，下降到多少：

Hall 才会释放。

③ Bhys：磁滞

简单理解：Bop 和 Brp 之间的差值。

为什么需要磁滞？

因为实际的磁场会抖动。

如果没有磁滞：Hall 可能疯狂跳变。

④ 灵敏度

对于线性 Hall，最重要的参数之一就是：

Sensitivity，灵敏度。

通常可以看到这个单位：

mV/mT

简单理解：

磁场变化 1 mT，输出电压变化多少。

灵敏度越高，对磁场变化越敏感。

⑤ 温漂

如果只是检测磁铁有没有靠近，温漂可能没那么敏感。

但是如果你做精密位置、角度、电流检测，温漂就非常重要。

因为温度变化以后，Hall 本身的灵敏度、偏置，以及磁铁的磁性能都可能发生变化。

所以高精度 Hall 应用，不能只看室温下的数据。

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