质量标准和环境认证

基于ATS605LSG的电机驱动磁编码器设计

基于ATS605LSG的电机驱动磁编码器设计

雅尼克·维勒梅特和安德里亚·福莱托，
雷竞技竞猜下载快板微系统欧洲有限公司

下载PDF格式

简介

编码器通常用于电机控制系统，以同步励磁信号。本手册介绍霍尔传感器设备(如Allegro)的使用方法ATS605LSG作为一个编码器在一个系统与黑色目标，并给出目标设计建议，以实现输出在正交和50%的占空比为每个输出。

图1:磁编码器示意图
图1:磁编码器示意图

磁性编码器的优点

在设计带有电动机的系统时，反馈回路对于向电动机提供准确的励磁并提高其效率至关重要。电机系统经常受到更多的电气限制;尺寸和磁环境也会影响整体性能。磁编码器如ATS605LSG所提供的优点包括:

  • 对外部磁场的免疫
  • 结构简单
  • 铁靶用途
  • 汽车合规
  • 系统规模
  • 设计自由

汽车驾驶指引

编码器在相位正交中提供两个信号，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机励磁信号。

图2:电激励信号
图2:电激励信号

一般申请要求

机械靶的设计可以根据不同的应用而有所不同。然而，有些参数可以定义为编码器系统的一般要求，并且对于大多数应用程序是一致的:雷竞技最新网址

  • 占空比精度50%±10%
  • 相移精度90°±10°
  • 气隙0.5 ~ 3.0 mm
  • 温度范围-40℃~ 150℃

本文档中提供的指导重点是实现这些参数。

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

ATS605LSG双差分高速传感器

ATS605LSG传感器是一种集成磁铁的双独立输出差分传感器。ATS605LSG是专门用于监测铁靶的速度和方向。

图3:功能框图
图3:功能框图

集成了三个霍尔元件以创建两个独立的差分通道(差分传感提供了对外部场的高免疫力)。这些通道由集成电路处理，其中包含一个复杂的数字电路，旨在消除磁体和系统偏移的有害影响。大厅微分
信号用于产生高精度的速度输出(图3)。

开漏输出提供反映被测目标形状的电压输出信号，两个通道之间的相位分离与目标齿的大小与霍尔元件间距成正比。它非常适合产生两个正交信号(图4)。

图4:传感器感知的差分信号
图4:传感器感知的差分信号

ATS605LSG的最大工作频率为fOPmax= 40 kHz。与一个n齿目标，最大转速ω然后由:

ω= (60 × fOPmax) /n(RPM) (1)

根据ATS605LSG数据表，最小工作微分场取决于输入磁场频率f人事处: f的最小字段人事处≤10khz为30g, f为60g人事处> 10 kHz。

设计目标时的参数定义

在设计机械靶时要考虑不同的参数。当ATS605LSG用作编码器时，本应用笔记将分析机械靶几何结构(如靶距和齿距比)对其性能的影响。

下面列出的参数会影响开关点的准确性，从而影响ATS605LSG的性能。

图5:目标参数
图5:目标参数

目标节距[mm]:定义为齿谷对的长度(图5)。它表示一个机械周期的距离。

目标宽度[mm]:定义为机械靶的宽度或厚度(图5)。

齿距比[无单位]:定义为齿长除以齿长和谷长。

比L =牙L / (牙+ L谷）（2）

气隙[mm]:定义为ATS605LSG传感器的标记表面与牙齿顶部之间的距离。

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中两个通道的间距为1.75 mm。

在接下来的分析中，使用这些固定参数:

靶宽:5毫米

矩形齿形:如图5所示

齿高:3毫米

温度:150°C(最坏情况温度)

目标外径(包括牙齿)称为OD，单位为毫米。

请注意，本分析中的所有结果都来自磁模拟。仿真绝对精度优于10%。

相分离和占空比分析

机械约束通常固定靶直径和气隙范围。可以调整以满足编码器要求的参数是目标节距(相当于齿数)和齿距比。本节分析占空比(通道A和通道B)及其相分离
与目标节距和齿距比在1.5毫米气隙。

纵轴报告目标间距超过霍尔板间距(固定为1.75毫米ATS605LSG)。如果需要，可以通过扭曲ATS605LSG(参见传感器扭曲部分)来调整霍尔板间距上的目标间距。横轴表示齿距比。
图6图可用于确定影响占空比和相分离的参数，从而选择适当的目标节距和齿距比。

左边的第一个图显示了通道之间的相位分离。相对于齿距比，它似乎是稳定的。在1.5 mm气隙下，最佳目标节距/间距约为3.7。这相当于一个6.45 mm的目标间距，标称1.75 mm的传感器间距。

然后可以计算出牙齿的数量(n是一个自然数):

n= (π× OD) / Pitch≈0.49 × OD（3）

齿的数量，在这里优化为1.5毫米的气隙，可以优化为另一个气隙，如果需要特定的应用。

温度不影响相移和占空比，只影响最大气隙。

一旦设定了目标节距，就可以根据所需的占空比确定齿距比。对于编码器系统，占空比应尽可能接近50%。图6中间和右边的图表明，这可以通过选择约0.375的比值来实现。为了简单起见，在分析中使用了0.4的比率。

注意通道A和通道B图是不同的，尽管传感器IC是对称的:这是由于磁边缘效应时，目标通过在传感器的前面。

图6:1.5 mm处的相移和占空比
图6:1.5 mm处的相移和占空比

气隙影响

本节分析了气隙对系统精度的影响。下面的图代表了三个不同气隙(0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm)下两个通道的相分离和占空比。

从这些图中可以看出，相分离依赖于气隙。

通过上一节中选择的参数，可以看到相位变化从3mm气隙的81°到0.5 mm气隙的96°。这仍然在90±10°的规格范围内。

从占空比图(图8和图9)可以看出，随着气隙的增大，占空比在50%左右的区域变大。因此，应在接近气隙时确定齿距比，以确保充分的气隙能力。这些图证实了前一节(相分离和占空比分析)中提出的1.5 mm气隙下的0.4比。还应该注意的是，50%占空比位置在气隙上是稳定的。因此，如果设计得当，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在0.5 mm, 1.5 mm和3.0 mm气隙处的相位
图7:通道A和B在0.5 mm, 1.5 mm和3.0 mm气隙处的相位
图8:通道A在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙时的占空比
图8:通道A在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙时的占空比
图9:通道B在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙时的占空比
图9:通道B在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙时的占空比

目标宽度和齿高建议

为了保证在气隙上的良好性能，建议目标宽度至少为5mm，齿高大于3mm。如果在应用程序中这在机械上是不可能的，请联系本地应用程序工程师来评估预期的性能。

针对不同目标直径的最大气隙、相位变化和优化齿数

下表给出了给定目标外径下的优化齿数以及在气隙和相分离方面的预期性能。

注意，给出了两个气隙范围:最小工作信号依赖于输入场频率f人事处如前所述。

这些结果适用于目标宽度为5mm，齿高为3mm，齿形为矩形，温度范围为-40°至150°C。

请注意，近似关系n≈0.49 × OD足以准确猜测牙齿的数量，无论外径如何。

目标外
直径(毫米)
 优化的数量
的牙齿
 比牙/节 最大气隙
f人事处>10 kHz [mm]		 最大气隙
f人事处≤10 kHz [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
One hundred. 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:传感器扭曲在目标的前面
图10:传感器扭曲在目标的前面

根据前面的章节，在正交中具有两个输出的齿的数量与目标外径内在地联系在一起。然而，应用程序可能需要更多的齿来提高编码器的分辨率。为了在不改变目标直径的情况下实现这一点，可以像图10所示的那样扭曲传感器。这个简单的操作可以根据以下公式减少霍尔板间距:

年代= 1.75 × cosα

其中1.75 mm是ATS605LSG的霍尔板间距。

霍尔板在目标旋转平面上的投影(图10)成为新的霍尔板间距年代．年代是目标实际看到的间隔。
然而，扭转传感器可能会减少最大气隙。此外，目标宽度必须足够大，以保持霍尔板高于目标。



图11:气隙为1.5 mm，齿距比为0.4时，传感器对目标节距的扭曲
图11:气隙为1.5 mm，齿距比为0.4时，传感器对目标节距的扭曲

如图11所示，给定齿距比为0.4，传感器扭曲影响相分离。占空比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，而只是来自模拟分辨率。

下表显示，对于齿距比为0.4的齿距比，最大气隙和节距需要与传感器扭曲有90°相分离。

目标节距[mm] 传感器扭转有90°
相分离[°]		 相应的明显
间距S [mm]		 最大气隙
与f人事处> 10 kHz [mm]		 最大气隙
与f人事处≤10 kHz[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示例:假设应用程序使用100毫米外径目标，并需要60个齿来实现分辨率。目标的最大转速为10,000 RPM。

根据公式3，具有90°相分离的最佳齿数为49个。

这个数量的牙齿与这个应用程序不兼容。因此，有必要扭曲传感器。在本例中，60个齿的目标音高为:

球场= (π× od) /n= 5.24 [mm]（4）

根据表(左)或图11的左侧图，需要38°扭转才能有90°相分离。

由于最大输入频率为10 kHz(见公式5)，应用中的最大气隙将为2.5 mm，而不是在没有传感器扭曲的情况下的2.9 mm。

f人事处= (n×ω) / 60 [Hz]（5）

结论

本应用说明给出了开发高速ATS605LSG传感器磁编码器系统的指导方针，并表明实现90°相位和50%占空比的最佳配置是节距约6.45 mm和齿距比为0.4的目标。如果目标节距不是6.45毫米而不能
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。

联系Allegro代表任何进一步的问题或支持。