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

下載 PDF 版

前言 

電動機控制系統中一般使用編碼器對勵磁信號進行同步。本應用說明描述了如何將 Allegro ATS605LSG 等霍爾傳感器設備用作帶鐵磁目標的系統的編碼器，并給出目標設計建議，以在每次輸出時產生正交輸出，實現50%的工作周期。

磁體編碼器的優勢

設計帶電動機的系統時，反饋回路對于向電動機提供準確勵磁、提升效率而言非常重要。電動機系統受到的限制常常不僅限于電氣方面的限制；尺寸和磁性環境也可能影響整體性能。ATS605LSG 等磁體編碼器的優勢包括：

• 不受外部磁場干擾

• 構造簡單

• 使用鐵磁目標

• 汽車合規

• 系統尺寸

• 設計自由度

電動機驅動指南

編碼器在正交相位中提供兩個信號，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，調整電動機勵磁信號。

通用應用要求

每種應用中的機械目標的設計都可能不同。然而，一些參數可定義為編碼器系統的通用要求，在大部分應用中保持不變：

• 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側重于實現這些參數。

如需使用不同的參數，則將影響目標設計——請聯系當地 Allegro 應用工程師對目標設計進行優化。

ATS605LSG 雙差分高速傳感器

ATS605LSG 傳感器是一個集成磁鐵的雙獨立輸出差分傳感器。ATS605LSG 針對顯示器速度和鐵磁目標的方向而專門設計。

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

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

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

ω = (60 × f_OPmax) / n [RPM] (1)

根據 ATS605LSG 數據表，最大運轉差動磁場取決于輸入磁場頻率 f_OP：f_OP ≤ 10 kHz 時的最小磁場為 30 G，f_OP >10 kHz 時的最小磁場為 60 G。

設計目標時的參數定義

設計機械目標時需要考慮各種參數。本應用說明將分析目標節距和齒/節距比等機械目標幾何尺寸對 ATS605LSG 用作編碼器時的性能的影響。

下列參數會影響切換點的準確度，因此也會影響 ATS605LSG 的性能。

目標節距 [mm]： 指輪齒到谷底的長度（圖 5），代表一個機械周期的距離。

目標寬度 [mm]：定義為機械目標的寬度或厚度（圖 5）。

齒/節距比 [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霍爾板之間的距離。ATS605LSG 中兩個通道的間距為 1.75 mm。

在以下分析中使用下列固定參數：

目標節距：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果都來自磁場模擬。模擬絕對準確度高于 10%。

相分離和工作周期分析

機械限制一般會固定目標直徑和氣隙范圍。可以調整以滿足編碼器要求的參數為目標節距（與齒數相等）和齒/節距比。本章節分析 1.5 mm 氣隙條件下的工作周期（對于 A 和 B 兩個通道）及其相分離，以及目標節距和齒/節距比。

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

左起第一張平面圖說明了通道之間的相分離。它與齒/節距比保持相對穩定。1.5 mm 氣隙條件下，最優的目標節距/間距大約為 3.7。這相當于常規的 1.75 mm 傳感器間距時的 6.45 mm 目標節距。

然后即可計算齒數（n 是自然數）：

n = (π × OD) / 節距 ≈ 0.49 × OD (3)

本示例中的齒數已針對 1.5 mm 的氣隙優化，如特殊的應用需要，可針對其他氣隙優化。

溫度不會影響相移和工作周期，僅影響最大氣隙。

一旦設定目標節距，即可基于理想的工作周期決定齒/節距比。對于編碼器系統，工作周期應該盡可能接近 50%。圖 6 中間和右側的平面圖說明，選擇 0.375 左右的比率即可實現這一點。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：這是由于目標通過傳感器前方時的磁場邊緣效應。

氣隙影響

本章節分析了氣隙對系統準確性的影響。下面的平面圖顯示了三個不同氣隙情況下兩個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。

使用上一章節選中的參數，可以看到，相轉變從氣隙 3 mm 時的 81° 轉變為氣隙 0.5 mm 時的 96°。仍然在 90 ±10° 規格的范圍內。

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% 的區域變大。因此，應該在氣隙較小時確定齒/節距比，以確保完全的氣隙能力。這些圖表確認了之前章節（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。應注意的是，50% 的工作周期位置相對于氣隙保持穩定。因此，如設計適當，50% 的輸出工作周期不會被氣隙變化影響。

目標節距和齒高建議

為保證在氣隙下表現良好性能，建議使用至少 5 mm 的目標節距和超過 3 mm 的齒高。如果在應用中，在機械角度而言不可行，則請聯系當地應用工程師，評估預期性能。

各種目標直徑的最大氣隙、相轉換、最優齒數

下表說明了給定目標外徑的最優齒數及預期氣隙和相分離性能。

請注意，給出了兩個氣隙范圍：最小運行信號獨立于輸入磁場頻率 f_OP，如上文所述。

這些結果適用于 5 mm 目標節距，3 mm 齒高，矩形齒形和 –40° 至 150°C 的溫度范圍。

請注意，近似關系 n ≈ 0.49 × OD 已經足以準確猜出齒數，無論外徑大小。

傳感器扭轉

根據上文章節，兩個輸出均為正交輸出的齒數與目標外徑具有本質聯系。然而，應用可能需要更高的齒數來改善編碼器解析度。為在不改變目標直徑的情況下實現這一點，可以按圖 10 所示扭轉傳感器。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。

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

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

下表顯示了當齒/節距比為 0.4 時，獲得 90° 相分離與傳感器扭轉所需要的最大氣隙和距。

作為使用傳感器扭轉的例子：假設應用使用 100 mm 外直徑的目標，為解析目的而需要 60 齒。目標的最大轉速為 10,000 RPM。

根據等式 3，達到 90° 相分離的最優齒數為 49。

這個齒數與這個應用不兼容。因此，有必要扭轉傳感器。在這種情況下，60 齒的目標節距為：

節距 = (π × OD) / n = 5.24 [mm] (4)

根據左表或圖 11 左側的平面圖，所需扭轉為 38° 方能達到 90°。

由于最大輸入頻率為 10 kHz（見等式 5），應用中的最大氣隙為 2.5 mm，而不是沒有傳感器扭轉時的 2.9 mm。

f_OP = (n × ω) / 60 [Hz] (5)

結論

本應用說明對于建立使用高速 ATS605LSG 傳感器的磁體編碼器系統提供了指南，并展示了實現 90° 相和 50% 工作周期的最佳配置是約 6.45 mm 的目標距和 0.4 的齒/節距比。
如果目標節距不是 6.45 mm，并且無法改變，則可以通過謹慎選擇的傳感器扭轉實現通道間 90° 的相移。

如有其他問題或需要支持，請聯系 Allegro 代表。