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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

作者:Yannick Vuillermet和Andrea Foletto，
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中以同步激励信号。本应用说明描述了如何使用霍尔传感器设备，如AllegroATS605LSG作为具有铁靶的系统中的编码器，并给出靶设计建议，以实现正交输出和每个输出的50%占空比。

图1:磁性编码器示意图
图1:磁性编码器示意图

磁性编码器的优点

在设计带有电动机的系统时，反馈回路对于为电动机提供准确的激励并提高其效率至关重要。电动机系统常常受到比电气约束更多的约束;尺寸和磁环境也会影响整体性能。磁性编码器(如ATS605LSG)提供的优点包括:

  • 对外场的免疫力
  • 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整电机激励信号。

图2:电激励信号
图2:电激励信号

一般申请要求

机械靶的设计可以根据不同的应用而有所不同。然而，一些参数可以定义为编码器系统的一般要求，并且在大多数应用中是一致的: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℃~ 150℃

本文档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应用工程师来优化目标设计。

ATS605LSG双差分高速传感器

ATS605LSG传感器是一个双独立输出差分传感器集成磁铁。ATS605LSG是专门设计用于监测铁靶的速度和方向。

图3:功能框图
图3:功能框图

三个霍尔元件合并创建两个独立的差分通道(差分传感提供对外部场的高抗扰度)。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)。

开路漏极输出提供反映感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:传感器检测到的差分信号
图4:传感器检测到的差分信号

ATS605LSG的最大工作频率为fOPmax= 40 kHz。与一个n齿靶，最大旋转速度ω则为:

ω= (60 × fOPmax） /n(RPM) (1)

根据ATS605LSG数据表，最小工作差分场取决于输入场频率f人事处: f的最小域人事处≤10khz为30g, f为60g人事处> 10 kHz。

设计目标器时的参数定义

在设计机械目标时，需要考虑不同的参数。本应用笔记将分析ATS605LSG用作编码器时，机械目标几何形状(如目标螺距和齿/螺距比)对性能的影响。

下面列出的参数会影响开关点的精度，从而影响ATS605LSG的性能。

图5:目标参数
图5:目标参数

靶距[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[毫米]:定义为机械目标的宽度或厚度(图5)。

齿/节比[单位]:定义为齿长除以齿谷长度之和。

比L =牙L / (牙+ L谷）(2)

气隙[mm]:定义为ATS605LSG传感器的品牌面与齿顶之间的距离。

霍尔板间距[mm]:定义为用于产生差分信号的两个霍尔极板之间的距离。ATS605LSG中两个通道的间距为1.75 mm。

在下面的分析中，使用这些固定参数:

靶宽:5mm

矩形齿形:如图5所示

齿高:3mm

温度:150℃(最坏温度)

目标外径(包括齿)称为外径，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

机械约束通常确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螺距(相当于齿数)和齿/螺距比。本节分析占空比(通道A和B)及其相分离
相对于目标螺距和齿/螺距比在1.5毫米气隙。

垂直轴报告霍尔板间距上的目标间距(固定为ATS605LSG的1.75 mm)。如果需要，可以通过扭转ATS605LSG(参见传感器扭转部分)来调整霍尔板间距上的目标间距。横轴表示齿/节比。
图6图可用于确定哪个参数影响占空比和相位分离，从而选择适当的目标节距和齿/节比。

左边的第一张图显示了通道之间的相位分离。相对于齿/节比，它似乎是稳定的。在1.5 mm气隙时，最佳目标间距/间距约为3.7。这相当于6.45毫米的目标间距与标称1.75毫米的传感器间距。

然后可以计算出牙齿的数量(n为自然数):

n= (π× OD) /螺距≈0.49 × OD（3）

此处针对1.5 mm的气隙进行了优化的齿数，如果具体应用需要，可以在另一个气隙进行优化。

温度不影响相移和占空比，而只影响最大气隙。

一旦设定了目标螺距，就可以根据所需的占空比确定齿/螺距比。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的比率来实现。为简单起见，在分析中使用0.4的比率。

请注意，尽管传感器IC是对称的，但通道A和通道B图形是不同的:这是由于目标在传感器前面通过时的磁边缘效应。

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

气隙影响

在本节中，分析了气隙对系统精度的影响。下图代表了三种不同气隙(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，相分离取决于气隙。

根据上一节选择的参数可以看出，相位变化从3mm气隙时的81°到0.5 mm气隙时的96°不等。这仍然在90±10°规格范围内。

占空比图(图8和图9)表明，当气隙增大时，占空比在50%左右的区域变大。因此，齿/节比应确定在封闭的气隙，以确保充分的气隙能力。这些图表证实了上一节(相分离和占空比分析)中在1.5 mm气隙处提出的0.4比率。还应注意的是，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气隙变化的影响。

图7:通道A和通道B在0.5 mm、1.5 mm和3.0 mm气隙处的相位
图7:通道A和通道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

目标宽度和牙齿高度建议

为了保证良好的气隙性能，建议目标宽度不小于5mm，齿高不小于3mm。如果应用程序在机械上不可能做到这一点，请联系本地应用程序工程师来评估预期的性能。

最大气隙，相位变化，以及各种目标直径的优化齿数

下表给出了给定目标外径的优化齿数以及气隙和相分离的预期性能。

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毫米的齿高，矩形齿形，在-40°到150°C的温度范围内。

请注意，n≈0.49 × OD的近似关系足够精确，可以猜测出无论外径如何，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≤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:目标前方的传感器扭曲
图10:目标前方的传感器扭曲

根据前面的章节，具有正交输出的齿数与目标外径有内在联系。然而，应用程序可能需要更多的齿数来提高编码器分辨率。为了在不改变目标直径的情况下实现这一目标，可以如图10所示扭转传感器。这个简单的操作可以根据以下公式减小霍尔板间距:

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．年代目标是否能实际看到间距。
但是，扭转传感器可能会减小最大气隙。此外，目标宽度必须足够大，以保持霍尔板高于目标。



图11:在气隙为1.5 mm，齿距比为0.4的情况下，传感器在目标节距上的扭转
图11:在气隙为1.5 mm，齿距比为0.4的情况下，传感器在目标节距上的扭转

如图11所示，给定齿/节比为0.4时，传感器扭转会影响相位分离。相反，占空比不受传感器扭转的影响。注意，图11中图和右图中可见的“噪声”不是真实的，而是来自模拟分辨率。

下表显示，对于齿/节比为0.4，最大气隙和节距需要与传感器扭转有90°相位分离。

靶距[mm] 传感器捻度要有90°
相分离[°]		 相应的明显
间距S[毫米]		 最大气隙
与f人事处> 10千赫[毫米]		 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转的一个例子:假设应用程序使用一个100mm外径的目标，并需要60齿的分辨率目的。目标的最大转速为10,000 RPM。

根据公式3，实现90°相分离的最佳齿数为49个。

这个牙齿数量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颗牙的目标间距为:

球场= (π× od) /n= 5.24 [mm]（4）

根据表(左)或图11的左图，所需的捻度为38°，以实现90°的相分离。

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2.9 mm，没有传感器扭曲。

f人事处= (n×ω) / 60[赫兹]（5）

结论

本应用说明给出了开发具有高速ATS605LSG传感器的磁性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间距约为6.45 mm和齿/间距比为0.4的目标。如果目标间距不是6.45 mm，则不能
经过修改，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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