使用Allegro角传感器的指南
使用Allegro角传感器的指南
作者:西蒙·蒂玛，Stéphane Réant, Loïc梅西耶和安德烈亚斯·弗里德里希
亚博棋牌游戏快板微系统公司有限责任公司
介绍
不同行业的亚博尊贵会员许多应用，例如在工业自动化和汽车传感器和致动器中，需要监测旋转轴的角度在轴上或轴外布置。此应用笔记专门用于审查轴上的磁性应用。亚博尊贵会员
磁传感器集成电路（ICS）通常用于执行此任务。本文档提供了基于圆形垂直大厅（CVH）技术的角度传感器的指导，这是每个核心Allegro角度位置传感器在本文中提到。
任何角度测量系统的设计基于特定应用的需要，例如气隙，精度和温度范围，以及传感器的性质。本文档提供了磁体选择的介绍以及对确定这些系统的准确性的影响。
磁角测量系统有两个主要的误差来源:
- 传感器IC相关错误
- 磁输入相关误差
图1:角度测量误差及其来源
每个Allegro传感器在生产过程中使用均匀磁场进行测试和校准。因此，在传感器发货给客户之前，内在的IC非线性和温度漂移降低到最小。温度漂移信息请参考产品数据表。
当在设计中使用磁铁时，磁性输入很可能不是均匀的，而且磁场强度在旋转范围内可能不是恒定的。这些是与引起系统测量误差的磁输入有关的误差。
场的非线性和场的强度会导致系统的整体误差。两者都取决于磁体相对于传感元件的机械位置。在本文档后面的章节中，非线性将被描述为精度误差(参见下面的精度误差定义)。
机械尺寸的定义，X / Y感测
在笛卡尔坐标系中，传感器被认为是一个参考，其封装曲面平行于X/Y平面。CVH换能器区域的中心定义为原点(0,0,0)。磁铁会绕z轴旋转。
理想情况下，磁体旋转轴应垂直于X/Y平面，与原点(0,0)无偏移。在下一节中，与原点的偏移量称为“不对准”，换句话说，图2中的不对准量为零。
图2:应用程序位置
磁铁和传感器之间沿z轴的距离俗称气隙。参见图6:气隙定义的细节。
传感元件的位置
典型磁铁的整个表面上的磁场是不均匀的。磁敏CVH换能器的位置在应用的机械设计中需要考虑。CVH传感器的敏感区域定义在每个Allegro角度传感器IC的数据表中。
图4所示的双模装置包含两个相同的芯片在一个并排的安排。这允许非常紧凑的包轮廓的冗余。
图3:CVH传感器放置在TSSOP-14包
图4:CVH传感器放置在TSSOP-24双模封装
磁性选择
磁铁的选择不仅仅局限于材料的类型和尺寸;还有一些基本的形状可以作为任何系统设计的良好起点。在本文后面的章节中，我们选择了三个磁铁作为测量的例子。
图5:三个磁体的尺寸比较
这些磁铁例子被选择来提供基本的指导方针。磁铁1图5中的A和B专为角度传感器而设计，可从德国的公司MagnetFabrik Bonn GmbH获得。
磁体C是一种简单的直径磁化圆盘，具有紧凑的尺寸。表1列出了磁铁的一些特性。对于磁铁材料和形状的具体问题，请联系首选的磁铁材料供应商。
| 磁铁 | 一种 | B. | C |
|---|---|---|---|
| 直径 | 18毫米 | 9毫米 | 6毫米 |
| 高度 | 2.5毫米 | 2.5毫米 | 4毫米 |
| 材料 | Sprox 13/21 p | Neofer 48/60 | Neofer 25/60 |
| 作文 | 硬铁氧体+ PA6 | 钕铁硼+ PA11 | 钕铁硼+ PA11 |
| 最大连续工作温度2 | 160ºC. | 140ºC | 140ºC |
| 温度剩余系数 | -0.19％/ k | -0.12％/ k | -0.12％/ k |
| 制造过程 | 注塑 | 注塑 | 注塑 |
参数定义
气隙
当谈到磁场传感器时，两种不同的气隙定义可以使用:封装气隙和晶体气隙。
图6：气隙定义
包装气隙
封装气隙被定义为传感器壳体顶部与磁体的最近面之间的距离。
水晶气隙
晶体气隙定义为传感器壳体中的传感元件与磁铁的最近面之间的距离。
在本文中，气隙的定义为晶体气隙。该传感元件位于封装顶表面以下0.36 mm处。参见图6。
角度错误定义
角度误差是由传感器装置测量的磁体的实际位置与磁体的位置之间的差异。通过读取传感器输出并将其与高分辨率编码器进行比较来完成此测量（参见图7）。
E =α传感器- α.真正的
图7：角度误差和精度错误定义
准确性错误定义
在本文档中进一步下降，将角度误差显示为未对准的函数。为此目的，有必要引入全旋转的单个角度误差定义（参见图7）。一个完全旋转的“总结”角度误差定义为角度精度误差，并且根据以下公式计算：
角度精度误差= (E马克斯- E闵）/ 2
换句话说，它是从0到360度之间的完美直线的偏差幅度。
平均磁场与气隙的相关性
系统设计的第一步是为应用气隙选择合适的磁铁。通常，气隙的范围为2至4mm。图8示出了作为图5所示磁体的气隙的函数的磁场。
默认情况下，许多Allegro角度传感器被调整为在300高斯(30 mT)时提供最佳性能。然而，与其他角度传感器不同的是，Allegro传感器可以在超过700高斯(70 mT)的现场强度上进行特别调整。请联系ANAllegro代表有关特定场强微调的其他信息。
图8：关于三个磁体的气隙的磁体场
图9 - 11显示了Allegro的角度精度误差A1334.IC测试时使用参考磁体。在每个气隙处，磁体旋转一满圈，并计算角度精度误差。
图9:磁铁A，角精度误差与气隙
图10：磁体B，角度精度误差与气隙
图11:磁铁C，角精度误差与气隙
表2总结了最佳空气隙。
| 磁铁的 | 磁铁B | 磁铁C | |
|---|---|---|---|
| 气隙 | 4毫米 | 3.5毫米 | 2毫米 |
在所有三种情况下(磁铁A, B, C)，角度精度误差受到气隙的影响。在校准气隙处，即磁场强度与校准磁场强度的距离(300g)得到了最好的结果。请注意图9 - 11中的刻度是不同的。
宽容不对齐
由于机械放置公差，CVH换能器不会总是在磁体的中心处完美地放置。要了解这种未对准如何影响测量角度的准确性，每个磁体都经过不同的未对准，相对于其直径。
这些图显示了多种测量的结果。气隙设置为校准气隙(参见图9 - 11)。根据其大小，磁体偏离X/Y原点至多为±1.5 mm。在X/Y平面的每一点，角度精度误差被计算为一个完整的转身，并以颜色显示。在比较图12到图14的图时，请注意规模不同。
图12:磁铁A在4 mm气隙处的角度精度误差
图13：磁体B的角度精度误差为3.5 mm气隙
图14:磁铁C在2mm气隙处的角度精度误差
测量误差汇总
这些情节为以下问题提供了答案:
- 什么精度可以期望与一定的磁铁和给定的机械放置公差?
- 什么磁铁应该用于给定准确性和机械耐受性？
- 对于给定的磁铁和精度，什么机械公差是允许的?
| 角精度 | 磁铁的 | 磁铁B | 磁铁C |
|---|---|---|---|
| 0.5º | ±0.5毫米 | ±0.25毫米 | ±0.1毫米 |
| 1º | ±0.75毫米 | ±0.65毫米 | ±0.5毫米 |
为了证明在不同气隙处的偏差公差，在两个不同气隙处，磁铁B在X轴和Y轴上的偏差为±1 mm。图15和16显示了对不对准的容忍度仅随气隙的变化而略有变化。
图15：磁体B的角度精度误差为3.5 mm气隙
图16：磁体B的角度精度误差为4.5 mm气隙
可重复性
角度读数的重复性取决于输入磁场的强度。高输入场可提高信噪比。将此应用于磁传感器意味着在接近气隙时可重复性最好。图17显示了不同磁铁的100个角度读数的标准偏差。根据应用程序中平均的可能性，这个误差可以忽略不计。
图17：磁铁A，B和C与气隙的角度读数的标准偏差4.
结论
特别是在苛刻的汽车或工业环境中，磁角传感器已被证明是传感器和执行器应用的有价值的解决方案。亚博尊贵会员其他功能，如线性化，诊断功能和冗余，也支持高安全性关键应用，例如汽车转向系统。亚博尊贵会员
角度传感器磁路的设计是一项复杂的工作，需要考虑许多影响参数。本文档显示了一些相互依赖的磁铁选择，机械公差，和对轴应用的精度要求。亚博尊贵会员
请联系ANAllegro代表有任何问题或支持。
1Magnetfabrik Bonn产品参考编号:67.043-2和67.043-1。
2最高工作温度由磁铁材料和形状决定。在有限的时间内，可以容忍超过这些额定值。联系供应商选择适合应用温度剖面的磁铁。
3.请联系Allegro可选的特定输入域范围以外的300高斯。
4.对每个气隙进行100次测量(设备在默认模式下每次读取1个样本)。
最初发表在设计的新闻，2015年1月。