編制人：Yannick Vuillermet 和 Andrea Foletto，
Allegro MicroSystems Europe Ltd

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前言 

電動機(jī)控制系統(tǒng)中一般使用編碼器對勵(lì)磁信號進(jìn)行同步。本應(yīng)用說明描述了如何將 Allegro ATS605LSG 等霍爾傳感器設(shè)備用作帶鐵磁目標(biāo)的系統(tǒng)的編碼器，并給出目標(biāo)設(shè)計(jì)建議，以在每次輸出時(shí)產(chǎn)生正交輸出，實(shí)現(xiàn)50%的工作周期。

磁體編碼器的優(yōu)勢

設(shè)計(jì)帶電動機(jī)的系統(tǒng)時(shí)，反饋回路對于向電動機(jī)提供準(zhǔn)確勵(lì)磁、提升效率而言非常重要。電動機(jī)系統(tǒng)受到的限制常常不僅限于電氣方面的限制；尺寸和磁性環(huán)境也可能影響整體性能。ATS605LSG 等磁體編碼器的優(yōu)勢包括：

• 不受外部磁場干擾

• 構(gòu)造簡單

• 使用鐵磁目標(biāo)

• 汽車合規(guī)

• 系統(tǒng)尺寸

• 設(shè)計(jì)自由度

電動機(jī)驅(qū)動指南

編碼器在正交相位中提供兩個(gè)信號，分別為 CHA 和 CHB（圖 2）。這些信號用于向控制器提供所需的反饋，調(diào)整電動機(jī)勵(lì)磁信號。

通用應(yīng)用要求

每種應(yīng)用中的機(jī)械目標(biāo)的設(shè)計(jì)都可能不同。然而，一些參數(shù)可定義為編碼器系統(tǒng)的通用要求，在大部分應(yīng)用中保持不變：

• 工作周期精度 50% ±10%

• 相移精度 90° ±10°

• 0.5 至 3.0 mm 的氣隙

• 溫度范圍 –40°C 至 150°C

本文件中提供的指導(dǎo)側(cè)重于實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)。

如需使用不同的參數(shù)，則將影響目標(biāo)設(shè)計(jì)——請聯(lián)系當(dāng)?shù)?Allegro 應(yīng)用工程師對目標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

ATS605LSG 雙差分高速傳感器

ATS605LSG 傳感器是一個(gè)集成磁鐵的雙獨(dú)立輸出差分傳感器。ATS605LSG 針對顯示器速度和鐵磁目標(biāo)的方向而專門設(shè)計(jì)。

三個(gè)霍爾元件整合在一起，形成兩個(gè)獨(dú)立的差分通道（差分感測不受外部磁場影響）。這些通道由 IC 處理。IC 包含精密數(shù)字電路，可減少磁鐵的不良影響和系統(tǒng)偏差。霍爾差分
信號用于產(chǎn)生高度準(zhǔn)確的速度輸出（圖 3）。

開漏輸出提供電壓輸出信號，該信號映射感應(yīng)到的目標(biāo)的形狀，按目標(biāo)齒的大小與霍爾元件間隔的比例，在兩個(gè)通道之間相隔一個(gè)相位，非常適合用于產(chǎn)生兩鐘正交信號（圖 4）。

ATS605LSG 的最大工作頻率為 f_OPmax =40 kHz。在有 n 齒目標(biāo)的情況下，最大轉(zhuǎn)動速度 ω 為：

ω = (60 × f_OPmax) / n [RPM] (1)

根據(jù) ATS605LSG 數(shù)據(jù)表，最大運(yùn)轉(zhuǎn)差動磁場取決于輸入磁場頻率 f_OP：f_OP ≤ 10 kHz 時(shí)的最小磁場為 30 G，f_OP >10 kHz 時(shí)的最小磁場為 60 G。

設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)的參數(shù)定義

設(shè)計(jì)機(jī)械目標(biāo)時(shí)需要考慮各種參數(shù)。本應(yīng)用說明將分析目標(biāo)節(jié)距和齒/節(jié)距比等機(jī)械目標(biāo)幾何尺寸對 ATS605LSG 用作編碼器時(shí)的性能的影響。

下列參數(shù)會影響切換點(diǎn)的準(zhǔn)確度，因此也會影響 ATS605LSG 的性能。

目標(biāo)節(jié)距 [mm]： 指輪齒到谷底的長度（圖 5），代表一個(gè)機(jī)械周期的距離。

目標(biāo)寬度 [mm]：定義為機(jī)械目標(biāo)的寬度或厚度（圖 5）。

齒/節(jié)距比 [無單位]：指輪齒長度與輪齒及谷底長度之和的比。

比率 = L_輪齒 /（L_輪齒 + L_谷底） (2)

氣隙 [mm]：指 ATS605LSG 傳感器印記面和輪齒頂部之間的距離。

霍爾板間距 [mm]：指用于生成差分信號的兩個(gè)霍爾板之間的距離。ATS605LSG 中兩個(gè)通道的間距為 1.75 mm。

在以下分析中使用下列固定參數(shù)：

目標(biāo)節(jié)距：5 mm

矩形齒形狀：如圖 5 所示

齒高：3 mm

溫度：150°C（最惡劣情況下的溫度）

目標(biāo)外徑（包括齒）稱為 OD，單位為毫米。

請注意，本次分析中的所有結(jié)果都來自磁場模擬。模擬絕對準(zhǔn)確度高于 10%。

相分離和工作周期分析

機(jī)械限制一般會固定目標(biāo)直徑和氣隙范圍。可以調(diào)整以滿足編碼器要求的參數(shù)為目標(biāo)節(jié)距（與齒數(shù)相等）和齒/節(jié)距比。本章節(jié)分析 1.5 mm 氣隙條件下的工作周期（對于 A 和 B 兩個(gè)通道）及其相分離，以及目標(biāo)節(jié)距和齒/節(jié)距比。

縱軸顯示目標(biāo)節(jié)距和霍爾板間距（ATS605LSG 固定為 1.75 mm）之比。如需調(diào)整目標(biāo)節(jié)距和霍爾板間距之比，扭轉(zhuǎn) ATS605LSG 即可（請見傳感器扭轉(zhuǎn)部分）。橫軸代表齒/節(jié)距比。
圖 6 中的平面圖可用于判斷哪些參數(shù)影響工作周期和相分離，并選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)距和齒/節(jié)距比。

左起第一張平面圖說明了通道之間的相分離。它與齒/節(jié)距比保持相對穩(wěn)定。1.5 mm 氣隙條件下，最優(yōu)的目標(biāo)節(jié)距/間距大約為 3.7。這相當(dāng)于常規(guī)的 1.75 mm 傳感器間距時(shí)的 6.45 mm 目標(biāo)節(jié)距。

然后即可計(jì)算齒數(shù)（n 是自然數(shù)）：

n = (π × OD) / 節(jié)距 ≈ 0.49 × OD (3)

本示例中的齒數(shù)已針對 1.5 mm 的氣隙優(yōu)化，如特殊的應(yīng)用需要，可針對其他氣隙優(yōu)化。

溫度不會影響相移和工作周期，僅影響最大氣隙。

一旦設(shè)定目標(biāo)節(jié)距，即可基于理想的工作周期決定齒/節(jié)距比。對于編碼器系統(tǒng)，工作周期應(yīng)該盡可能接近 50%。圖 6 中間和右側(cè)的平面圖說明，選擇 0.375 左右的比率即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。為簡單起見，分析中使用的比為 0.4。

請注意，雖然傳感器 IC 對稱，但通道 A 和通道 B 圖形不同：這是由于目標(biāo)通過傳感器前方時(shí)的磁場邊緣效應(yīng)。

氣隙影響

本章節(jié)分析了氣隙對系統(tǒng)準(zhǔn)確性的影響。下面的平面圖顯示了三個(gè)不同氣隙情況下兩個(gè)通道的相分離和工作周期：0.5 mm、1.5 mm 和 3.0 mm。

從這些情況中可以觀察到，相分離取決于氣隙。

使用上一章節(jié)選中的參數(shù)，可以看到，相轉(zhuǎn)變從氣隙 3 mm 時(shí)的 81° 轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?0.5 mm 時(shí)的 96°。仍然在 90 ±10° 規(guī)格的范圍內(nèi)。

工作周期平面圖（圖 8 和圖 9）說明，提高氣隙會讓工作周期約 50% 的區(qū)域變大。因此，應(yīng)該在氣隙較小時(shí)確定齒/節(jié)距比，以確保完全的氣隙能力。這些圖表確認(rèn)了之前章節(jié)（相分離和工作周期分析）中提議的氣隙 1.5 mm 下 0.4 的比率。應(yīng)注意的是，50% 的工作周期位置相對于氣隙保持穩(wěn)定。因此，如設(shè)計(jì)適當(dāng)，50% 的輸出工作周期不會被氣隙變化影響。

目標(biāo)節(jié)距和齒高建議

為保證在氣隙下表現(xiàn)良好性能，建議使用至少 5 mm 的目標(biāo)節(jié)距和超過 3 mm 的齒高。如果在應(yīng)用中，在機(jī)械角度而言不可行，則請聯(lián)系當(dāng)?shù)貞?yīng)用工程師，評估預(yù)期性能。

各種目標(biāo)直徑的最大氣隙、相轉(zhuǎn)換、最優(yōu)齒數(shù)

下表說明了給定目標(biāo)外徑的最優(yōu)齒數(shù)及預(yù)期氣隙和相分離性能。

請注意，給出了兩個(gè)氣隙范圍：最小運(yùn)行信號獨(dú)立于輸入磁場頻率 f_OP，如上文所述。

這些結(jié)果適用于 5 mm 目標(biāo)節(jié)距，3 mm 齒高，矩形齒形和 –40° 至 150°C 的溫度范圍。

請注意，近似關(guān)系 n ≈ 0.49 × OD 已經(jīng)足以準(zhǔn)確猜出齒數(shù)，無論外徑大小。

傳感器扭轉(zhuǎn)

根據(jù)上文章節(jié)，兩個(gè)輸出均為正交輸出的齒數(shù)與目標(biāo)外徑具有本質(zhì)聯(lián)系。然而，應(yīng)用可能需要更高的齒數(shù)來改善編碼器解析度。為在不改變目標(biāo)直徑的情況下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以按圖 10 所示扭轉(zhuǎn)傳感器。按照以下公式，這一簡單的操作可減少霍爾板間距：

S = 1.75 × cos α

其中 1.75 mm 是 ATS605LSG 的霍爾板間距。

霍爾板在目標(biāo)旋轉(zhuǎn)平面（圖 10）上的投射成為新的霍爾板間距 S。S 是目標(biāo)以虛擬方式看到的間距。
然而，扭轉(zhuǎn)傳感器可能會減小最大氣隙。此外，目標(biāo)寬度必須夠大，以便保持霍爾板位于目標(biāo)之上。

如圖 11 所示，在齒/節(jié)距比為 0.4 時(shí)，傳感器扭轉(zhuǎn)會影響相分離。但工作周期不會受到傳感器扭轉(zhuǎn)的影響。請注意，圖 11 中央平面圖和右側(cè)平面圖中可見的“噪音”并不是真正存在，而是僅僅來自于模擬解析。

下表顯示了當(dāng)齒/節(jié)距比為 0.4 時(shí)，獲得 90° 相分離與傳感器扭轉(zhuǎn)所需要的最大氣隙和距。

作為使用傳感器扭轉(zhuǎn)的例子：假設(shè)應(yīng)用使用 100 mm 外直徑的目標(biāo)，為解析目的而需要 60 齒。目標(biāo)的最大轉(zhuǎn)速為 10,000 RPM。

根據(jù)等式 3，達(dá)到 90° 相分離的最優(yōu)齒數(shù)為 49。

這個(gè)齒數(shù)與這個(gè)應(yīng)用不兼容。因此，有必要扭轉(zhuǎn)傳感器。在這種情況下，60 齒的目標(biāo)節(jié)距為：

節(jié)距 = (π × OD) / n = 5.24 [mm] (4)

根據(jù)左表或圖 11 左側(cè)的平面圖，所需扭轉(zhuǎn)為 38° 方能達(dá)到 90°。

由于最大輸入頻率為 10 kHz（見等式 5），應(yīng)用中的最大氣隙為 2.5 mm，而不是沒有傳感器扭轉(zhuǎn)時(shí)的 2.9 mm。

f_OP = (n × ω) / 60 [Hz] (5)

結(jié)論

本應(yīng)用說明對于建立使用高速 ATS605LSG 傳感器的磁體編碼器系統(tǒng)提供了指南，并展示了實(shí)現(xiàn) 90° 相和 50% 工作周期的最佳配置是約 6.45 mm 的目標(biāo)距和 0.4 的齒/節(jié)距比。
如果目標(biāo)節(jié)距不是 6.45 mm，并且無法改變，則可以通過謹(jǐn)慎選擇的傳感器扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)通道間 90° 的相移。

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