电子动力转向的环形磁铁速度感测

电子动力转向的环形磁铁速度感测

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作者 Dan Dwyer,首席系统工程师

图 1

图 1.典型 EPS 系统

电动助力转向 (EPS) 系统需要转向输入轴提供速度和方向信息。这种控制通常需要高分辨率的速度信息和相对粗略的位置信息。

采用双列多极环形磁铁,以及由霍尔效应双路输出开关和锁存器组成的开关矩阵,以提供所需的全部信息。图 2 显示了具有双分辨率的环形磁铁结构,其中包括南北磁极交替排列的高分辨率外环和低分辨率内环。

为确定旋转磁铁的方向,需要使用单独的霍尔效应传感器 IC,以及两个分开的双极霍尔元件(A 和 B)的双路输出。( 参阅图 3 )由于两个霍尔元件在 IC 表面分开放置,所以旋转磁铁产生的信号中存在相位滞后。

图 2

图 2.双分辨率环形磁铁

图 3

图 3.装有双路输出双极霍尔效应器件的环形磁铁

只要正确设置磁极间距,就能确保产生的输出信号(图 4 中的元件 A 和元件 B)处于正交状态,并能轻松处理,以提供双态方向信息。在该实例(双路输出双极开关)中,所用器件内的元件间距是 1.5 mm。最佳磁极间距可在元件 A 中提供峰值信号,并在元件 B 中提供零信号。该间距对应的尺寸约等于交替磁极之间的 3.0 mm 或极性周期 6 mm。

图 4

图 4.A1230的正交输出

为获取绝对位置信息,必须通过分开的霍尔效应锁存传感器 IC 的输出生成状态机。在双元件器件的信号对内感应的相同相位滞后,也能由分离封装内的器件通过正确的封装位置感应。如果两个器件封装放在相对角位置,并与磁铁的极性周期对应,那两个 IC 的输出就会处于同一相位。但如果封装间距是 1.25×(T/2),其中 T 表示极性周期,则输出会处于正交状态。这同样适用于该周期的任意倍数,如 2.25×(T/2)、3.25×(T/2) 或 4.25×(T/2)。

要产生一个能提供级联相位滞后的器件输出矩阵,必须按极性周期的递增小数倍来放置每个器件。例如,要使三个器件具有级联输出,可将器件 #1 放在任何位置,将器件 #2 放在距器件 #1 1.33×(T/2) 的位置,将器件 #3 放在距器件#1 ×1.67 (T/2) 位置。

根据封装尺寸和磁体大小,可能无法使器件封装彼此离得太近。如果磁极相当一致的话,这种限制不会产生太大问题。可重复的磁特性曲线,将使倍增因数的小数部分成为确定封装位置的唯一相关值。使用前面三个传感器 IC 的实例,通过将器件 #2 放在 1.33×(T/2) 位置,将器件 #3 放在 2.67×(T/2) 位置,可实现所需的级联输出。参阅图 5。

图 5

图 5.三级 A1220 器件的矩阵

利用三个南北磁极交替排列的磁极对的粗略磁特性曲线,并使用三个分开的霍尔效应锁存器,可提供 6 种稳定的状态组合(A - E),它们会在每次磁体旋转时重复三次。如果控制器能跟踪指定封装所在的 120° 区域,说明系统位置的分辨率是 20°。这种矩阵的优势是能检测逻辑上不会出现的两种故障状态(LLL 与 HHH)。参阅图 6 和 表 1。

图 6

图 6.三级锁存器件的状态图


表 1三级锁存器件的状态图
角位置
(°)
器件 #1 器件 #2 器件 #3 区域
0 - 20 L H H A
20 - 40 L H H B
40 - 60 L H L C
60 - 80 H H L D
80 - 100 H L L E
100 - 120 H L H F
120 - 140 L L H A
140 - 160 L H H B
160 - 180 L H L C
180 - 200 H H L D
200 - 220 H L L E
220 - 240 H L H F
240 - 260 L L H A
260 - 280 L H H B
280 - 300 L H L C
300 - 320 H H L D
320 - 340 H L L E
340 - 360 H L H F
DNE L L L
DNE H H H

替代解决方案

Allegro™ 还提供了可替代双路输出双极开关的器件。A3423 系列能在内部处理两个霍尔元件产生的输出信号,并能提供两个分别表示速度和方向的分离信号。使用 A3423 就不必设置外部处理电路,否则还要通过它确定数字方向值。

推荐的 Allegro 器件

表 2推荐的 Allegro 器件
Allegro 型号 温度
范围
封装类型 可用带盘
备注
A1212 E、L LT、UA 灵敏锁存器
A1214 E、L LH、UA 灵敏锁存器
A1220 E、L LH、UA 超灵敏锁存器
A1221 E、L LH、UA 灵敏锁存器
A1230 E、L K、L 双路输出双极开关

典型应用

  • 汽车 EPS 或 EPAS 系统
  • 工业机械
  • 休闲动力转向