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使用ATS605LSG驾驶电动机磁性编码器设计

使用ATS605LSG驾驶电动机磁性编码器设计

由Yannick Vuillermet和Andrea Foletto，
雷竞技竞猜下载Allegro MicroSystems欧洲有限公司

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介绍

编码器通常用于电机控制系统同步激励信号。本应用笔记描述了如何使用霍尔传感器设备，如快板ATS605LSG作为具有黑色目标的系统中的编码器，并提供目标设计建议，以实现正交的输出和每个输出的50％占空比。

图1：磁编码器图
图1：磁编码器图

磁编码器的优点

当设计一个电机系统时，反馈回路是至关重要的，以提供准确的激励电机和提高其效率。电机系统经常受到超过电气约束;尺寸和磁性环境也会影响整体性能。ATS605LSG等磁编码器的优点包括:

  • 对外场的免疫力
  • 结构简单
  • 亚铁目标使用
  • 汽车合规性
  • 系统规模
  • 设计自由

驾驶汽车指引

编码器提供两种相位正交的信号，称为CHA和CHB（图2）。这些信号用于向控制器提供所需的反馈并调整电动机激励信号。

图2:电激励信号
图2:电激励信号

一般申请要求

机械目标的设计可以对每个应用变化。但是，某些参数可以定义为对编码器系统的一般要求，并且对于大多数应用程序将是一致的：雷竞技最新网址

  • 占空比精度50％±10％
  • 移相精度90°±10°
  • 气隙从0.5到3.0 mm
  • 温度范围-40°C至150°C

本文档提供的指导方针集中于实现这些参数。

如果需要不同的参数，这将影响目标设计-联系当地的Allegro应用工程师来优化目标设计。

ATS605LSG双差分高速传感器

ATS605LSG传感器是具有集成磁铁的双独立输出差分传感器。ATS605LSG专门设计用于监测光子靶的速度和方向。

图3:功能模块图
图3:功能模块图

包含三个霍尔元素以创建两个独立的差分通道（差分传感为外部场提供高免疫）。这些通道由IC处理，该IC包含一个复杂的数字电路，该电路设计用于消除磁体和系统偏移的不利影响。霍尔差异
信号用于产生高精度的速度输出（图3）。

开漏输出提供镜像所感测到的目标形状的电压输出信号，两种通道与目标齿的尺寸与霍尔元素间隔成比例的相分离。它非常适合产生两个正交信号（图4）。

图4：传感器感测的差分信号
图4：传感器感测的差分信号

ATS605LSG的最大工作频率为fopmax.= 40 kHz。与N牙齿目标，最大旋转速度ω.然后给出：

ω.=（60×F.opmax./N[rpm]（1）

根据这一点ATS605LSG数据表，最小工作微分场取决于输入场频率fop.: f的最小域op.≤10kHz为30克和60克op.> 10 kHz。

设计目标时的参数定义

设计机械靶标时需要考虑不同的参数。本应用笔记将分析当ATS605LSG用作编码器时，机械目标几何结构如目标螺距和齿距比对其性能的影响。

下面列出的参数影响开关点的精度，从而影响ATS605LSG的性能。

图5：目标参数
图5：目标参数

目标音调[mm]：定义为牙齿和谷对的长度（图5）。它代表了机械时期的距离。

目标宽度[mm]：定义为机械目标的宽度或厚度（图5）。

牙/螺距比(无单位):定义为牙齿和谷长度总和的齿长。

比率L =齿L / (齿+ L.谷）（2）

气隙[mm]：定义为ATS605LSG传感器的品牌表面到牙齿顶部的距离。

霍尔板间距[mm]:定义为用于产生差分信号的两个霍尔板之间的距离。ATS605LSG的两个通道间距为1.75 mm。

在以下分析中，使用这些固定参数：

目标宽度:5mm

矩形齿形:如图5所示

牙齿高度：3毫米

温度:150℃(最坏情况温度)

目标外径（包括齿）被称为OD，以mm为单位。

请注意，此分析中的所有导致都来自磁模拟。模拟绝对精度优于10％。

分离分析和占空比分析

机械约束通常固定目标直径和气隙范围。可以调整以满足编码器要求的参数是目标间距（相当于齿数）和齿/俯仰比。本节分析占空比（对于通道A和B）及其相分离
与目标螺距和齿距比在1.5毫米气隙。

垂直轴通过霍尔板间距报告目标间距（固定为ATS605LSG的1.75 mm）。如果需要，可以通过扭转ATS605LSG（参见截面传感器扭曲）来调节霍尔板间距的目标间距。横轴表示齿/俯仰比。
图6可以用来确定哪个参数影响占空比和相位分离，从而选择合适的目标螺距和齿距比。

左侧的第一个绘图显示通道之间的相位分离。它似乎是稳定的与牙齿/桨距比率。最佳目标间距/间距似乎在1.5mm气隙下约为3.7。这相当于具有标称1.75mm传感器间距的6.45 mm目标间距。

然后可以计算出牙齿的数量(n是一个自然数):

N= (π×OD）/间距≈0.49×od（3）

牙齿的数量，这里优化了一个1.5毫米的气隙，可以在另一个气隙，如果需要特定的应用程序。

温度不会影响相移和占空比，而是只有最大气隙。

一旦设定目标间距，就可以基于期望的占空比确定齿/桨距比。对于编码器系统，占空比应尽可能接近50％。图6在中心和右侧的图表明这可以通过选择约0.375的比率来实现。为简单起见，分析中使用0.4的比率。

请注意，虽然传感器IC是对称的，但通道A和通道B图是不同的：当目标在传感器前方时，这是由于磁边效应。

图6：相移和占空比为1.5毫米
图6：相移和占空比为1.5毫米

气隙的影响

在本节中，分析了气隙对系统准确性的影响。下图表示两个通道的相位分离和占空比，用于三个不同的气隙：0.5mm，1.5 mm和3.0 mm。

从这些图中可以看出，相分离依赖于气隙。

利用前一节中选择的参数，可以看出相变从81°的空气间隙处的81°变化到0.5mm气隙的96°。这仍然在90±10°的规格范围内。

占空比图（图8和图9）表明，当增加气隙时，占空比约为50％的占空比的区域变大。因此，应在紧密的气隙处识别齿/沥青比以确保全气隙能力。这些曲线图在前一节中确认了在1.5mm气隙下提出的0.4比（相分离分离和占空比）。还应注意，50％占空比位置在气隙上稳定。因此，如果设计得适当，50％的输出占空比不应受到气隙变化的影响。

图7：通道A和B之间的相位为0.5毫米，1.5mm和3.0mm气隙
图7：通道A和B之间的相位为0.5毫米，1.5mm和3.0mm气隙
图8：通道上的占空比为0.5毫米，1.5毫米和3.0 mm气隙
图8：通道上的占空比为0.5毫米，1.5毫米和3.0 mm气隙
图9：通道B上的占空比0.5毫米，1.5毫米和3.0 mm气隙
图9：通道B上的占空比0.5毫米，1.5毫米和3.0 mm气隙

目标宽度和牙齿高度建议

为了保证良好的气隙性能，建议目标宽度至少为5mm，齿高超过3mm。如果在应用程序中这在机械上是不可能的，请联系当地的应用程序工程师来评估预期的性能。

最大气隙，相位变化，和各种目标直径的优化齿数

下表给出了给定目标外径的最优齿数以及气隙和相分离的预期性能。

请注意，给出了两个气隙范围：最小操作信号取决于输入场频率fop.如前所述。

这些结果适用于5毫米的目标宽度，3毫米齿高，矩形齿形，以及-40°至150℃的温度范围。

注意，近似关系N≈0.49×OD足以猜出任何外径的齿数。

目标外
直径[mm]
 优化的数量
牙齿
 比牙/节 最大气隙
Fop.> 10千赫(毫米)		 最大气隙
Fop.≤10kHz[mm]		 相分离
从0.5毫米到
2.5 mm [°]		 相分离
从0.5毫米到
3.0 mm [°]
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.

传感器扭转

图10：传感器扭曲在目标前
图10：传感器扭曲在目标前

根据先前的部分，在正交输出中具有两种输出的齿数与目标外径有本质上。然而，应用可能需要更高数量的齿来提高编码器分辨率。为了实现这一点而不改变目标直径，可以根据图10所示的传感器扭转传感器。这种简单的操作能够减少根据该公式的霍尔板间距：

S.= 1.75×COSα.

1.75毫米是ATS605LSG的霍尔板间距。

霍尔板在目标旋转平面上的投影成为新的霍尔板间距S.。S.目标是由目标看起来的间距。
然而，扭转传感器可以减少最大气隙。此外，目标宽度必须足够大以使霍尔板保持在目标之上。



图11：传感器在目标间距上扭曲，气隙为1.5 mm，齿/俯仰比为0.4
图11：传感器在目标间距上扭曲，气隙为1.5 mm，齿/俯仰比为0.4

如图11所示，当齿距比为0.4时，传感器的扭曲会影响相分离。占空比反而不受传感器扭曲的影响。请注意，在图11的中间图和右边图中可见的“噪声”不是真实的，而是来自模拟分辨率。

下表显示了0.4的齿/俯仰比，最大气隙和具有90°相分离而具有90°分离的间距。

目标音调[mm] 传感器扭转到90°
相分离[°]		 相应的明显
间距s [mm]		 最大气盈率
用fop.> 10 kHz [mm]		 最大气盈率
用fop.≤10kHz[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

作为如何使用传感器扭曲的一个例子:假设应用程序使用一个100mm外径的目标，需要60个牙齿的分辨率目的。目标的最大转速为10,000 RPM。

根据等式3，最佳的齿数为90°分离为49。

此齿数与此应用不兼容。因此，有必要扭曲传感器。在这种情况下，带60齿的目标间距：

球场= (π×OD) /N= 5.24(毫米)（4）

根据表（左）或图11的左侧图，所需的扭曲为38°，具有90°相分离。

由于最大输入频率为10 kHz（参见公式5），因此应用中的最大气隙将是2.5毫米，而不是2.9 mm而没有传感器扭曲。

Fop.= (N×ω.）/ 60 [Hz](5）

结论

本申请说明提供了利用高速ATS605LSG传感器开发磁编码器系统的准则，并表明实现90°相和50％占空比的最佳配置是间距约为6.45毫米的靶标和齿/俯仰比0.4。如果目标间距不是6.45 mm，并且不能
经过修改，由于选择良好的传感器扭曲，可以实现通道之间的90°相移。

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