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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

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

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介绍

编码器通常用于电动机控制系统中以使激励信号同步。此应用笔记介绍如何使用诸如Allegro等霍尔传感器设备ATS605LSG.作为一个含铁目标系统中的编码器，并给出目标设计建议，以实现正交输出和50%占空比的每个输出。

图1:磁编码器图
图1:磁编码器图

磁编码器的优点

在使用电动机设计系统时，反馈回路对于为电动机提供精确的激励并提高其效率至关重要。电动机系统通常受到多于电气限制的影响;尺寸和磁环境也会影响整体性能。磁编码器（如ATS605LSG）提供的优点包括：

  • 对外场的免疫力
  • 简单的建筑
  • 有色列物使用
  • 汽车合规
  • 系统规模
  • 设计自由

电机驾驶指南

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

一般的应用程序需求

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％
  • 相移精度90°±10°
  • 气隙从0.5到3.0 mm
  • 温度范围-40°C至150°C

本文件中提供的指导方针侧重于实现这些参数。

如果需要不同的参数，这将影响目标设计 - 联系本地Allegro应用工程师以优化目标设计。

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：功能框图
图3：功能框图

采用三个霍尔元件创建两个独立的差分通道(差分传感提供了对外场的高抗扰性)。这些通道由集成电路处理，集成电路包含一个复杂的数字电路，旨在消除磁铁和系统偏置的有害影响。大厅微分
信号被用来产生一个高度精确的速度输出(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的最大运行频率是fopmax.= 40 kHz。带着n齿目标，最大旋转速度ω.然后由:

ω.=（60×F.opmax./n(RPM) (1)

根据这一点ATS605LSG数据表，最小操作差分字段取决于输入场频率fop.：f的最小字段op.≤10khz为30g, f为60gop.> 10 kHz。

在设计目标时定义参数

在设计机械目标时将考虑不同的参数。本申请说明将分析机械目标几何形状的影响，例如目标俯仰和齿/倾斜度与ATS605LSG用作编码器时的性能。

下面列出的参数会影响切换点的准确性，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]:定义为机械靶的宽度或厚度(图5)。

牙齿/沥青率[无单位]：定义为齿长除以齿长和谷长之和。

比= L.牙/（L.牙+ L.谷）（2）

气隙[mm]：定义为ATS605LSG传感器和牙齿顶部的品牌面之间的距离。

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中的两个通道的间距为1.75毫米。

在下面的分析中，使用了这些固定参数:

目标宽度：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（包括齿）被称为OD，以mm为单位。

请注意，该分析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

机械约束通常固定目标直径和气隙范围。可以调整满足编码器要求的参数是目标节距(相当于齿的数量)和齿/节比。本节分析了通道A和通道B的占空比和它们的相分离
与目标间距和齿/俯仰比在1.5mm气隙下。

垂直轴报告霍尔板间距上的目标节距（ATS605LSG固定为1.75 mm）。如果需要，可通过扭转ATS605LSG（参见传感器扭转一节）来调整霍尔板间距上的目标节距。水平轴表示齿距比。
图6的图可以用于确定哪个参数影响占空比和相分离，从而选择适当的目标间距和齿/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。

然后可以计算牙齿的数量（n是自然数）：

n=（π×OD）/间距≈0.49×od（3）

这里优化的牙齿数量为1.5mm的空气间隙，如果特定应用需要，可以在另一个气隙处优化。

温度不影响相移和占空比，但只影响最大气隙。

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

图6:1.5 mm时的相移和占空比
图6:1.5 mm时的相移和占空比

气隙影响

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，可以观察到相分离取决于气隙。

根据前一节的参数选择，可以看到相位变化在3 mm气隙为81°，在0.5 mm气隙为96°。这仍然在90±10°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A在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙处的占空比
图8:通道A在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙处的占空比
图9:通道B在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙处的占空比
图9:通道B在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙处的占空比

目标宽度和牙齿高度建议

为了保证良好的气隙性能，建议使用至少5毫米，牙齿高于3毫米的目标宽度。如果在应用程序中无法机械地机械，请联系本地应用工程师以评估预期的性能。

最大气隙，相位变化，以及各种目标直径的优化齿数

下表给定的目标外径和气隙中的预期性能提供了优化的齿数，以及空气间隙中的预期性能。

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fop.如前所述。

这些结果适用于5毫米的目标宽度，3毫米的牙齿高度，矩形牙齿形状，和在-40°到150°C的温度范围。

请注意，无论外径如何，n≈0.49 × OD的近似关系都足够准确地猜测牙齿的数量。

目标外面
直径[mm]
 优化的数字
的牙齿
 比率齿/间距 最大气隙
fop.> 10 kHz [mm]		 最大气隙
fop.≤10kHz[mm]		 相分离
从0.5毫米到
2.5毫米(°)		 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

传感器扭曲

图10:在目标前的传感器扭转
图10:在目标前的传感器扭转

根据前面的章节，齿的数量有两个输出在正交是内在地联系到目标外径。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，可以如图10所示扭曲传感器。这种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.

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年代．年代目标是由目标看起来的间距。
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，以使霍尔板保持在目标上方。



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，给出齿/俯仰比为0.4，传感器捻度影响相分离。占空比不受传感器的扭曲影响。请注意，中心图中可见的“噪声”，图11的右侧图中可见，而只是来自模拟分辨率。

下表显示，当齿距比为0.4时，与传感器捻度相比，最大气隙和节距需要达到90°相分离。

目标球(毫米) 传感器扭转到90°
相分离(°)		 相应的明显
间距S(毫米)		 最大气盈率
与fop.> 10 kHz [mm]		 最大气盈率
与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示例：假设应用程序使用100mm外径目标，并且需要60齿以进行分辨率。目标的最大旋转速度为10,000rpm。

由式3可知，具有90°相分离的最佳齿数为49。

这个数量的牙齿与这个应用程序不兼容。因此，有必要扭转传感器。在这种情况下，60颗牙齿的目标音高是:

沥青=（π×OD）/n= 5.24 [mm]（4）

根据图11的左表或左图，需要扭转38°才能有90°的相分离。

由于最大输入频率是10khz(见公式5)，应用中的最大气隙将是2.5 mm，而不是没有传感器扭曲的2.9 mm。

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
经过改进，由于精心选择的传感器扭曲，通道之间可以实现90°相移。

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