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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

Yannick Vuillermet和Andrea Foletto著，
亚博棋牌游戏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，以同步激励信号。本应用笔记介绍如何使用霍尔传感器设备，如AllegroATS605LSG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

在设计带有电机的系统时，反馈回路是为电机提供精确励磁和提高电机效率的关键。一个电机系统经常受到更多的电气约束;磁性材料的大小和磁性环境也会影响其整体性能。ATS605LSG等磁性编码器的优点包括:

  • 外场免疫
  • 结构简单
  • 亚铁目标使用
  • 汽车合规
  • 系统规模
  • 设计自由

电机驾驶指引

编码器提供两个相位正交的信号，称为CHA和CHB(图2)。这些信号用于向控制器提供所需的反馈，并调节电机励磁信号。

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，并将与大多数应用程序一致:亚博尊贵会员

  • 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°C至150°C

本文档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传感器是一种集成磁体的双独立输出差分传感器。ATS605LSG特别设计用于监测黑色目标的速度和方向。

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)。

漏极开路输出提供反映被感知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牙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，最大旋转速度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场的频率f人事处: f的最小值人事处≤10khz为30g, f为60g人事处> 10 kHz。

在设计目标时定义参数

在设计机械靶时，需要考虑不同的参数。本应用说明将分析机械目标几何形状，如目标节距和齿/节比，对ATS605LSG作为编码器时的性能的影响。

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

目标音高(毫米):定义为齿和谷对的长度(图5)。它表示机械周期的距离。

目标宽度(毫米):定义为机械靶的宽度或厚度(图5)。

牙/螺距比(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(毫米):定义为ATS605LSG传感器的贴有标签的面到牙齿顶部的距离。

霍尔板间距[mm]:定义为两个霍尔板之间用来产生差分信号的距离。ATS605LSG的两个通道间距为1.75 mm。

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(包括牙齿)称为外径，单位为mm。

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
与目标节距和齿/节距比在1.5毫米气隙。

垂直轴报告靶距超过霍尔板间距(固定为1.75毫米的ATS605LSG)。如果需要的话，可以通过扭转ATS605LSG(参见传感器扭转部分)来调整靶距在霍尔板间距上的间距。水平轴代表齿/节比。
图6可以用来确定哪个参数会影响占空比和相分离，从而选择合适的目标节距和齿/节比。

左边的第一张图显示了通道之间的相分离。它似乎是稳定的齿/节比。在1.5 mm气隙处，最佳靶距/间距约为3.7。这相当于一个6.45 mm的目标俯仰与1.75 mm的传感器间距。

然后可以计算牙齿的数量(n是一个自然数):

n= (π× OD) / Pitch≈0.49 × OD（3)

在此针对1.5 mm的气隙进行优化的齿数，如果特定应用需要，还可以在另一个气隙进行优化。

温度不影响相移和占空比，但只影响最大气隙。

一旦设定了目标节距，就可以根据所需的占空比来确定齿距比。对于编码器系统，占空比应尽可能接近50%。图6中间和右边的地块表明，这可以通过选择0.375左右的比率来实现。为简单起见，在分析中使用了0.4的比率。

注意，虽然传感器IC是对称的，但通道A和通道B的图形是不同的:这是由于当目标在传感器前面通过时的磁边效应。

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

气隙的影响

在本节中，分析气隙对系统精度的影响。下图表示了两个通道在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm三种不同气隙下的相分离和占空比。

从图中可以看出，相分离与气隙有关。

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。

由占空比图(图8和图9)可知，随着气隙的增大，占空比在50%左右的区域变得更大。因此，应该在接近的气隙处确定齿/节比，以确保完全的气隙能力。这些图表证实了在前一节(相分离和占空比分析)中在1.5 mm气隙处提出的0.4比。还应该注意到50%占空比的位置在气隙上是稳定的。因此，如果适当设计，50%输出占空比不应受气隙变化的影响。

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

为了保证在气隙上的良好性能，建议目标宽度至少为5mm，齿高为3mm以上。如果在应用程序中这是机械上不可能的，请联系当地的应用工程师评估预期的性能。

最大气隙，相位变化和不同目标直径的优化齿数

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
直径(毫米)
 优化的数量
的牙齿
 比牙/节 最大气隙
f人事处> 10千赫(毫米)		 最大气隙
f人事处≤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毫米(°)
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: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

其中1.75 mm为ATS605LSG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距离。
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:空气间隙为1.5 mm，齿距比为0.4时，传感器在目标节距上的扭转
图11:空气间隙为1.5 mm，齿距比为0.4时，传感器在目标节距上的扭转

如图11所示，当齿距比为0.4时，传感器的扭转会影响相分离。相反，占空比不受传感器扭曲的影响。注意，在图11的中心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，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) 传感器扭转有90°
相分离(°)		 相应的明显
间距S(毫米)		 马克斯气隙
与f人事处> 10 kHz [mm]		 马克斯气隙
与f人事处≤10千赫(毫米)
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

作为一个如何使用传感器扭转的例子:假设应用程序使用100毫米外径目标和需要60个牙齿的分辨率目的。目标的最大转速为10,000 RPM。

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:

球场= (π×OD) /n= 5.24(毫米)（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。

f人事处= (n×ω) / 60 [Hz](5）

结论

本应用说明给出了利用高速ATS605LSG传感器开发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距约6.45 mm和齿距比0.4的目标。如果目标间距不是6.45 mm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。

联系Allegro的代表任何进一步的问题或支持。