Установка абсолютного датчика положения ротора на электродвигатель обеспечивает возможность определения положения ротора с очень высокой точностью. Учитывая, что для широкого круга применений управление синхронным вентильным двигателем от преобразователя частоты в режиме без датчика обратной связи по положению ротора невозможно, разработчики электродвигателей с постоянными магнитами и преобразователей частоты обычно используют инкрементальные энкодеры с сигналами коммутации UVW либо абсолютные энкодеры с передачей данных по последовательным протоколам SSI, EnDat, Hyperface и другими. При этом для большинства промышленных задач точность абсолютных энкодеров намного превышает потребности применения и необходимые пределы для управления синхронными электродвигателями с постоянными магнитами.

Одним из решений, альтернативных применению абсолютных энкодеров, является применение датчиков Холла. Обладая невысокой точностью, система из трех датчиков Холла тем не менее справляется с задачей обеспечения обратной связи по положению ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и позволяет применить синхронные электродвигатели с постоянными магнитами для наиболее распространенных применений: насосы, компрессоры, экструдеры.

Дополнительным преимуществом применения датчиков Холла является отсутствие дополнительных вращающихся частей: датчики Холла устанавливаются в зубцы обмотки статора электродвигателя.

Эффект Холла

Если поместить проводник или полупроводник с текущим по нему током в перпендикулярное магнитное поле В (рис. 1), то возникнет электрическое поле, перпендикулярное плоскости I—B. Этот эффект носит название эффекта Холла и был открыт в 1879 году Американским физиком Эдвином Гербертом Холлом.

Рисунок 1. Эффект Холла

Рассмотрим ток I, состоящий из положительных частиц (дырок), текущий в положительном направлении х. Из-за магнитного поля дырки отклоняются к нижней поверхности (2). Поверхность 2 становится положительно заряженной по отношению к поверхности 1, другими словами, появляется электрическое поле E , направленное в положительную сторону оси y и перпендикулярное плоскости x-z (плоскость I—B).

Таким образом, между электродами генерируется напряжение Холла V_H = E ·d.

В равновесии электрическое поле оказывает на движущиеся носители заряда такое же по величине действие, как и магнитное поле q ·E = B ·q ·v .

Где q — заряд, а v — скорость дрейфа заряженных частиц. Отсюда следует:

E = B ·v  и V_H =E ·d =B ·v ·d.

Для количества дырок на м³ равного n, плотность заряда будет определяться формулой:

ρ = n / q (Кл/м³).

Если заряд перемещается со скоростью дрейфа v (м/с), то плотность тока будет определяться следующей формулой:

J = n · q ·v  = ρ ·v  (A/м²).

Плотность тока так же может быть записана в виде:

J = I / (d ·b), так что

V_H = B ·v ·d = B ·J·d | ρ = B ·I| (ρ ·b).

Вводя константу Холла для материалов R_H = 1| ρ  получаем:

V_H = R_H · B ·I| b = k · B ·I. 

Таблица 1. Константы Холла

В противоположность металлам, некоторые полупроводники, например полупроводники на основе индия, имеют значительную величину R_H .

Из формулы V_H = k · B ·I следуют следующие применения эффекта Холла.

1. При постоянном токе можно измерить величину магнитного поля: V_H = k_I · B .

2. При постоянном магнитном поле, например применении постоянного магнита, появляется возможность измерить ток: V_H = k₂ · I .

3. Если B пропорционально первому входному сигналу (v₁), а I пропорционален второму входному сигналу (v₂), то мы имеем мультипликатор на эффекте Холла: V_H = k₃ · v₁ ·v₂ . С использованием мультипликатора Холла становится возможным измерить мощность v₁ = f₁(U), v₂ = f₂(I).

Техническая реализация

Тонкого слоя из нескольких μm полупроводника на керамической подложке достаточно для изготовления датчика магнитного поля.

Применяя индиевый полупроводник InSb и пропуская через него ток во внешнем магнитном поле получаем выходное напряжение V_H .

Обычно в датчиках магнитного поля это напряжение варьируется от 0,2 до 1 В/Т, где 1 Т (Тесла) = 1Вб/м².

​Обычно в датчики встраивается дифференциальный усилитель для того, чтобы получить выходное напряжение, которое можно далее использовать в цифровых и аналоговых схемах.