編制人：Yannick Vuillermet 和 Andrea Foletto，
Allegro MicroSystems Europe Ltd
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前言
電動機控制系統(tǒng)中一般使用編碼器對勵磁信號進(jìn)行同步。本應(yīng)用說明描述了如何將 Allegro ATS605LSG 等霍爾傳感器設(shè)備用作帶鐵磁目標(biāo)的系統(tǒng)的編碼器，并給出目標(biāo)設(shè)計建議，以在每次輸出時產(chǎn)生正交輸出，實現(xiàn)50%的工作周期。
磁體編碼器的優(yōu)勢
設(shè)計帶電動機的系統(tǒng)時，反饋回路對于向電動機提供準(zhǔn)確勵磁、提升效率而言非常重要。電動機系統(tǒng)受到的限制常常不僅限于電氣方面的限制；尺寸和磁性環(huán)境也可能影響整體性能。ATS605LSG 等磁體編碼器的優(yōu)勢包括：
不受外部磁場干擾
構(gòu)造簡單
使用鐵磁目標(biāo)
汽車合規(guī)
系統(tǒng)尺寸
設(shè)計自由度
電動機驅(qū)動指南
編碼器在正交相位中提供兩個信號，分別為 CHA 和 CHB（圖 2）。這些信號用于向控制器提供所需的反饋，調(diào)整電動機勵磁信號。
通用應(yīng)用要求
每種應(yīng)用中的機械目標(biāo)的設(shè)計都可能不同。然而，一些參數(shù)可定義為編碼器系統(tǒng)的通用要求，在大部分應(yīng)用中保持不變：
工作周期精度 50% ±10%
相移精度 90° ±10°
0.5 至 3.0 mm 的氣隙
溫度范圍 –40°C 至 150°C
本文件中提供的指導(dǎo)側(cè)重于實現(xiàn)這些參數(shù)。
如需使用不同的參數(shù)，則將影響目標(biāo)設(shè)計——請聯(lián)系當(dāng)?shù)?Allegro 應(yīng)用工程師對目標(biāo)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。
ATS605LSG 雙差分高速傳感器
ATS605LSG 傳感器是一個集成磁鐵的雙獨立輸出差分傳感器。ATS605LSG 針對顯示器速度和鐵磁目標(biāo)的方向而專門設(shè)計。
三個霍爾元件整合在一起，形成兩個獨立的差分通道（差分感測不受外部磁場影響）。這些通道由 IC 處理。IC 包含精密數(shù)字電路，可減少磁鐵的不良影響和系統(tǒng)偏差。霍爾差分
信號用于產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的速度輸出（圖 3）。
開漏輸出提供電壓輸出信號，該信號映射感應(yīng)到的目標(biāo)的形狀，按目標(biāo)齒的大小與霍爾元件間隔的比例，在兩個通道之間相隔一個相位，非常適合用于產(chǎn)生兩鐘正交信號（圖 4）。
ATS605LSG 的最大工作頻率為 fOPmax =40 kHz。在有 n 齒目標(biāo)的情況下，最大轉(zhuǎn)動速度 ω 為：
ω = (60 × fOPmax) / n [RPM] (1)
根據(jù) ATS605LSG 數(shù)據(jù)表，最大運轉(zhuǎn)差動磁場取決于輸入磁場頻率 fOP：fOP ≤ 10 kHz 時的最小磁場為 30 G，fOP >10 kHz 時的最小磁場為 60 G。
設(shè)計目標(biāo)時的參數(shù)定義
設(shè)計機械目標(biāo)時需要考慮各種參數(shù)。本應(yīng)用說明將分析目標(biāo)節(jié)距和齒/節(jié)距比等機械目標(biāo)幾何尺寸對 ATS605LSG 用作編碼器時的性能的影響。
下列參數(shù)會影響切換點的準(zhǔn)確度，因此也會影響 ATS605LSG 的性能。
目標(biāo)節(jié)距 [mm]： 指輪齒到谷底的長度（圖 5），代表一個機械周期的距離。
目標(biāo)寬度 [mm]：定義為機械目標(biāo)的寬度或厚度（圖 5）。
齒/節(jié)距比 [無單位]：指輪齒長度與輪齒及谷底長度之和的比。
比率 = L輪齒 /（L輪齒 + L谷底） (2)
氣隙 [mm]：指 ATS605LSG 傳感器印記面和輪齒頂部之間的距離。
霍爾板間距 [mm]：指用于生成差分信號的兩個霍爾板之間的距離。ATS605LSG 中兩個通道的間距為 1.75 mm。
在以下分析中使用下列固定參數(shù)：
目標(biāo)節(jié)距：5 mm
矩形齒形狀：如圖 5 所示
齒高：3 mm
溫度：150°C（最惡劣情況下的溫度）
目標(biāo)外徑（包括齒）稱為 OD，單位為毫米。
請注意，本次分析中的所有結(jié)果都來自磁場模擬。模擬絕對準(zhǔn)確度高于 10%。
相分離和工作周期分析
機械限制一般會固定目標(biāo)直徑和氣隙范圍。可以調(diào)整以滿足編碼器要求的參數(shù)為目標(biāo)節(jié)距（與齒數(shù)相等）和齒/節(jié)距比。本章節(jié)分析 1.5 mm 氣隙條件下的工作周期（對于 A 和 B 兩個通道）及其相分離，以及目標(biāo)節(jié)距和齒/節(jié)距比。
縱軸顯示目標(biāo)節(jié)距和霍爾板間距（ATS605LSG 固定為 1.75 mm）之比。如需調(diào)整目標(biāo)節(jié)距和霍爾板間距之比，扭轉(zhuǎn) ATS605LSG 即可（請見傳感器扭轉(zhuǎn)部分）。橫軸代表齒/節(jié)距比。
圖 6 中的平面圖可用于判斷哪些參數(shù)影響工作周期和相分離，并選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)距和齒/節(jié)距比。
左起第一張平面圖說明了通道之間的相分離。它與齒/節(jié)距比保持相對穩(wěn)定。1.5 mm 氣隙條件下，最優(yōu)的目標(biāo)節(jié)距/間距大約為 3.7。這相當(dāng)于常規(guī)的 1.75 mm 傳感器間距時的 6.45 mm 目標(biāo)節(jié)距。
然后即可計算齒數(shù)（n 是自然數(shù)）：
n = (π × OD) / 節(jié)距 ≈ 0.49 × OD (3)
本示例中的齒數(shù)已針對 1.5 mm 的氣隙優(yōu)化，如特殊的應(yīng)用需要，可針對其他氣隙優(yōu)化。
溫度不會影響相移和工作周期，僅影響最大氣隙。
一旦設(shè)定目標(biāo)節(jié)距，即可基于理想的工作周期決定齒/節(jié)距比。對于編碼器系統(tǒng)，工作周期應(yīng)該盡可能接近 50%。圖 6 中間和右側(cè)的平面圖說明，選擇 0.375 左右的比率即可實現(xiàn)這一點。為簡單起見，分析中使用的比為 0.4。
請注意，雖然傳感器 IC 對稱，但通道 A 和通道 B 圖形不同：這是由于目標(biāo)通過傳感器前方時的磁場邊緣效應(yīng)。
氣隙影響
本章節(jié)分析了氣隙對系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響。下面的平面圖顯示了三個不同氣隙情況下兩個通道的相分離和工作周期：0.5 mm、1.5 mm 和 3.0 mm。
從這些情況中可以觀察到，相分離取決于氣隙。
使用上一章節(jié)選中的參數(shù)，可以看到，相轉(zhuǎn)變從氣隙 3 mm 時的 81° 轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?0.5 mm 時的 96°。仍然在 90 ±10° 規(guī)格的范圍內(nèi)。
工作周期平面圖（圖 8 和圖 9）說明，提高氣隙會讓工作周期約 50% 的區(qū)域變大。因此，應(yīng)該在氣隙較小時確定齒/節(jié)距比，以確保完全的氣隙能力。這些圖表確認(rèn)了之前章節(jié)（相分離和工作周期分析）中提議的氣隙 1.5 mm 下 0.4 的比率。應(yīng)注意的是，50% 的工作周期位置相對于氣隙保持穩(wěn)定。因此，如設(shè)計適當(dāng)，50% 的輸出工作周期不會被氣隙變化影響。
目標(biāo)節(jié)距和齒高建議
為保證在氣隙下表現(xiàn)良好性能，建議使用至少 5 mm 的目標(biāo)節(jié)距和超過 3 mm 的齒高。如果在應(yīng)用中，在機械角度而言不可行，則請聯(lián)系當(dāng)?shù)貞?yīng)用工程師，評估預(yù)期性能。
各種目標(biāo)直徑的最大氣隙、相轉(zhuǎn)換、最優(yōu)齒數(shù)
下表說明了給定目標(biāo)外徑的最優(yōu)齒數(shù)及預(yù)期氣隙和相分離性能。
請注意，給出了兩個氣隙范圍：最小運行信號獨立于輸入磁場頻率 fOP，如上文所述。
這些結(jié)果適用于 5 mm 目標(biāo)節(jié)距，3 mm 齒高，矩形齒形和 –40° 至 150°C 的溫度范圍。
請注意，近似關(guān)系 n ≈ 0.49 × OD 已經(jīng)足以準(zhǔn)確猜出齒數(shù)，無論外徑大小。
目標(biāo)外徑
[mm]
| 最優(yōu)齒數(shù)
| 齒/節(jié)距比 |
fOP >10 kHz 時的最大氣隙 [mm] |
fOP ≤ 10 kHz 時的最大氣隙 [mm] |
0.5 mm 到
2.5 mm 的相分離 [°] |
0.5 mm 到
3.0 mm 的相分離 [°] |
| 60 | 30 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±9 | 90±10 |
| 70 | 35 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±9 | 90 ±9 |
| 80 | 40 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±9 | 90 ±9 |
| 90 | 44 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±6 | 90 ±9 |
| 100 | 49 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±6 | 90 ±9 |
| 110 | 54 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±6 | 90 ±8 |
| 120 | 59 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±6 | 90 ±8 |
| 130 | 64 | 0.4 | 2.4 | 2.9 | 90 ±6 | 90 ±7 |
傳感器扭轉(zhuǎn)
根據(jù)上文章節(jié)，兩個輸出均為正交輸出的齒數(shù)與目標(biāo)外徑具有本質(zhì)聯(lián)系。然而，應(yīng)用可能需要更高的齒數(shù)來改善編碼器解析度。為在不改變目標(biāo)直徑的情況下實現(xiàn)這一點，可以按圖 10 所示扭轉(zhuǎn)傳感器。按照以下公式，這一簡單的操作可減少霍爾板間距：
S = 1.75 × cos α
其中 1.75 mm 是 ATS605LSG 的霍爾板間距。
霍爾板在目標(biāo)旋轉(zhuǎn)平面（圖 10）上的投射成為新的霍爾板間距 S。S 是目標(biāo)以虛擬方式看到的間距。
然而，扭轉(zhuǎn)傳感器可能會減小最大氣隙。此外，目標(biāo)寬度必須夠大，以便保持霍爾板位于目標(biāo)之上。
如圖 11 所示，在齒/節(jié)距比為 0.4 時，傳感器扭轉(zhuǎn)會影響相分離。但工作周期不會受到傳感器扭轉(zhuǎn)的影響。請注意，圖 11 中央平面圖和右側(cè)平面圖中可見的“噪音”并不是真正存在，而是僅僅來自于模擬解析。
下表顯示了當(dāng)齒/節(jié)距比為 0.4 時，獲得 90° 相分離與傳感器扭轉(zhuǎn)所需要的最大氣隙和距。
| 目標(biāo)節(jié)距 [mm] | 傳感器扭轉(zhuǎn)實現(xiàn) 90°
相分離 [°] | 對應(yīng)的表面間距
S [mm] |
fOP > 10 kHz 時的最大氣隙 [mm] |
fOP ≤ 10 kHz 時的最大氣隙 [mm] |
| 6.45 | 0 | 1.75 | 2.4 | 2.9 |
| 6.15 | 10 | 1.72 | 2.3 | 2.8 |
| 5.90 | 20 | 1.64 | 2.3 | 2.8 |
| 5.65 | 30 | 1.52 | 2.1 | 2.6 |
| 5.25 | 38 | 1.38 | 2.0 | 2.5 |
| 5.10 | 40 | 1.34 | 2.0 | 2.4 |
| 4.40 | 50 | 1.12 | 1.8 | 2.2 |
| 3.55 | 60 | 0.88 | 1.4 | 1.8 |
作為使用傳感器扭轉(zhuǎn)的例子：假設(shè)應(yīng)用使用 100 mm 外直徑的目標(biāo)，為解析目的而需要 60 齒。目標(biāo)的最大轉(zhuǎn)速為 10,000 RPM。
根據(jù)等式 3，達(dá)到 90° 相分離的最優(yōu)齒數(shù)為 49。
這個齒數(shù)與這個應(yīng)用不兼容。因此，有必要扭轉(zhuǎn)傳感器。在這種情況下，60 齒的目標(biāo)節(jié)距為：
節(jié)距 = (π × OD) / n = 5.24 [mm] (4)
根據(jù)左表或圖 11 左側(cè)的平面圖，所需扭轉(zhuǎn)為 38° 方能達(dá)到 90°。
由于最大輸入頻率為 10 kHz（見等式 5），應(yīng)用中的最大氣隙為 2.5 mm，而不是沒有傳感器扭轉(zhuǎn)時的 2.9 mm。
fOP = (n × ω) / 60 [Hz] (5)
結(jié)論
本應(yīng)用說明對于建立使用高速 ATS605LSG 傳感器的磁體編碼器系統(tǒng)提供了指南，并展示了實現(xiàn) 90° 相和 50% 工作周期的最佳配置是約 6.45 mm 的目標(biāo)距和 0.4 的齒/節(jié)距比。
如果目標(biāo)節(jié)距不是 6.45 mm，并且無法改變，則可以通過謹(jǐn)慎選擇的傳感器扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)通道間 90° 的相移。
如有其他問題或需要支持，請聯(lián)系 Allegro 代表。
