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Guidelines for Using Allegro Angular Sensors

Guidelines for Using Allegro Angular Sensors

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By Simon Tima，StéphaneRéant，Loïc·梅斯姐，andreas friedrich，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC

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

磁铁ic sensor integrated circuits (ICs) are commonly used to perform this task. This document provides guidelines for using angle sensors based on the Circular Vertical Hall (CVH) technology, which is the core of eachAllegro角位置传感器mentioned within this article.

The design of any angle measurement system is based on the needs of the particular application, such as air gap, accuracy, and temperature range, as well as the properties of the sensor. This document provides an introduction to magnet selection and an understanding of the influences that determine the accuracy of such systems.

磁角度测量系统有两个主要的错误来源：

  • 传感器IC相关错误
  • 磁输入相关错误

Figure 1

图1：角度测量误差及其起源

使用均匀磁场在生产过程中测试和校准每个Allegro传感器。因此，在传感器运送给客户之前，本征IC非线性和温度漂移变为最小。有关温度漂移信息，请参阅产品数据表。

当在设计中使用磁体时，磁性输入很可能不是均匀的，并且场的强度在旋转范围内可能不会恒定。这些是与磁输入相关的错误，导致系统中的测量误差。

场非线性和场强可以有助于系统的整体误差。两者都依赖于磁体相对于感测元件的机械位置。在本文档的后期部分中，非线性将被描述为准确性错误（请参阅下面的准确性错误定义）。

Definition of Mechanical Dimensions, X/Y Sensing

在笛卡尔坐标系中，传感器被认为是参考，其包装表面平行于X / Y平面。CVH换能器区域的中心定义为原点（0,0,0）。磁铁将围绕Z轴旋转。

理想地，磁铁旋转轴线将垂直于X / Y平面，并且不会从原点（0,0）偏移。在下一节中，从原点偏移将被称为“未对准”，换句话说，图2中的错位为零。

Figure 2

图2：应用程序安置

磁体和传感器沿Z轴之间的距离通常称为气隙。有关详细信息，请参阅图6：气隙定义。

传感元素位置

磁场在典型磁体的整个面上不均匀。在应用的机械设计中需要考虑磁敏CVH换能器的位置。CVH换能器的敏感区域在每个Allegro角度传感器IC的数据表中定义。

图4中所示的双模装置在侧面布置方面包含两个相同的芯片。这允许使用非常紧凑的包装轮廓冗余。

Figure 3

图3：CVH传感器放置在TSSOP-14封装中

Figure 4

图4：CVH传感器放置I TSSOP-24双模包

磁性选择

磁铁的选择不仅限于材料和尺寸的类型;还有一些基本形状，它是任何系统设计的良好起点。选择了三个磁体作为本文档的后面的部分中的测量的示例。

Figure 5

图5：所选三个磁铁的尺寸比较

选择这些磁铁实施例以提供基本指导。磁铁1A and B in Figure 5 are designed specifically for angular sensors, and are available from the company Magnetfabrik Bonn GmbH in Germany.

磁铁C是一种简单的直径磁化的盘，具有紧凑的尺寸。表1列出了磁铁的一些特性。有关磁铁材料和形状的具体问题，请联系首选磁铁材料供应商。

Table 1: Magnet Properties
磁铁 A B C
直径 18毫米 9毫米 6毫米
高度 2.5 mm 2.5 mm 4毫米
材料 Sprox 13/21 P. Neofer 48/60 Neofer 25/60
作品 Hard Ferrite + PA6 NDFEB + PA11 NDFEB + PA11
Maximum Continuous Operating Temperature2 160ºC 140ºC. 140ºC.
Temperature Coefficient of Remanence -0.19%/K -0.12%/K -0.12%/K
Manufacturing Process 注塑成型 注塑成型 注塑成型

Parameter Definition

气隙

谈论磁场传感器时，可以使用两个不同的气隙定义：包装气隙和晶体气隙。

Figure 6

Figure 6: Air Gap Definition

Package Air Gap

Package air gap is defined as the distance between the top of the sensor housing and the nearest face of the magnet.

水晶气隙

晶体气隙定义为传感器壳体中的传感元件与磁体的最近面之间的距离。

在本文件中，气隙定义为晶体气隙。感测元件在包装的顶部表面下方0.36mm。请参阅图6。

Angle Error Definition

Angle error is the difference between the actual position of the magnet and the position of the magnet as measured by the sensor device. This measurement is done by reading the sensor output and comparing it with a high resolution encoder (refer to Figure 7).

E =α.Sensor- α真实的

Figure 7

Figure 7: Angle Error and Accuracy Error Definition

Accuracy Error Definition

Further down in this document, the angle error is displayed as a function of misalignment. For that purpose, it is necessary to introduce a single angle error definition for a full rotation (refer to Figure 7). The ‘summarized’ angle error on one full rotation is defined as angular accuracy error, and it is calculated according to the following formula:

角度精度误差=（e最大限度- E.min) / 2

换句话说，它是从0到360度之间的完美直线的偏差的幅度。

平均磁场和气隙依赖性

The first step in the system design is to choose an appropriate magnet for the application air gap. Usually the air gap is in a range from 2 to 4 mm. Figure 8 shows the magnetic field as a function of air gap for the magnets shown in Figure 5.

默认情况下，修剪许多Allegro角度传感器以提供300高斯（30吨）的最佳性能。然而，与其他角度传感器不同，Allegro传感器可以专门修剪超过700高斯（70 mt）的场强。请联系ANAllegro representative有关特定场实力修剪的其他信息。

Figure 8

Figure 8: Magnet Field Regarding the Air Gap of the Three Magnets

图9至11示出了Allegro的角度精度误差A1334用参考磁铁测试时的IC。在每个气隙处，磁体旋转一个全转，并计算角度精度误差。

Figure 9

图9：磁铁A，角度精度误差与气隙

Figure 10

Figure 10: Magnet B, Angular Accuracy Error vs. Air Gap

Figure 11

图11：磁铁C，角度精度误差与气隙

Optimum air gaps are summarized in Table 2.

Table 2: Optimum Air Gap Dependent on the Magnet
磁铁A. 磁铁B. 磁铁C.
气隙 4毫米 3.5毫米 2 mm

在所有三种情况下（磁铁A，B，C），角度精度误差受气隙的影响。在校准气隙中实现了最佳结果，即磁场强度等于校准场强（300g）的距离。请注意，图9至11中的尺度不同。

对未对准的宽容

As a result of mechanical placement tolerances, the CVH transducer will not always be placed perfectly in the center of the magnet. To understand how this misalignment can impact the accuracy of the measured angle, each magnet was tested with a different misalignment relative to its diameter.

该图显示了多种测量的结果。将气隙设定为校准气隙（参见图9至11）。根据其尺寸，磁铁距X / Y原点距离最高±1.5毫米。在x / y平面中的每个点处，计算完整的转弯并以颜色显示的角度精度误差。比较图，图12到14，注意尺度不同。

Figure 12

图12：磁铁A的角度精度误差为4毫米气隙

Figure 13

Figure 13: Angular Accuracy Error of Magnet B at 3.5 mm Air Gap

Figure 14

图14：磁体C的角度精度误差为2 mm气隙

测量误差摘要

该地块提供以下问题的答案：

  • 某个磁铁和给定机械放置容差可以预期哪些准确性？
  • What magnet should be used for given accuracy and mechanical tolerance?
  • 给定的磁铁和精度允许什么机械耐受性？
Table 3: Angular Accuracy Error for Misalignment Summary
角度精度 磁铁A. 磁铁B. 磁铁C.
0.5º ±0.5毫米 ±0.25 mm ±0.1毫米
1º ±0.75 mm ±0.65毫米 ±0.5毫米

为了证明在不同的空气间隙下对未对准的耐受性，磁体B在X和Y轴上的±1mm的未对准，在2个不同的空气间隙上映射。图15和16表明对未对准的耐受性仅略微存在气隙。

Figure 15

Figure 15: Angular Accuracy Error of Magnet B at 3.5 mm Air Gap

Figure 16

Figure 16: Angular Accuracy Error of Magnet B at 4.5 mm Air Gap

重复性

角度读数的可重复性取决于磁场输入的强度。高输入字段提高了信噪比的信号。将其施加到磁传感器意味着重复性最佳在近距离空气间隙。图17显示了不同磁体的100个角度读数的标准偏差。根据应用中的平均可能性，此错误可能是可忽略不计的。

Figure 17

Figure 17: Standard Deviation of Angle Readings on Magnets A, B, and C vs. Air Gap4

结论

特别是在汽车或工业envir严厉onments, magnetic angle sensors have proven to be a valuable solution for sensor and actuator applications. Additional features, such as linearization, diagnosis functionality and redundancy, also support high safety critical applications, such as automotive steering systems.

角度传感器的磁路的设计是一个复杂的任务，需要考虑许多影响参数。本文档显示了磁磁选择，机械公差和轴上应用程序的准确性要求之间存在的一些相互依赖性。亚博尊贵会员

请联系ANAllegro representative对于任何剩余的问题或支持。

1MagnetFabrik Bonn产品参考编号：67.043-2和67.043-1。

2最大工作温度由磁体材料和形状决定。可以容忍超过这些评级以进行有限的持续时间。联系供应商，为应用温度曲线选择合适的磁体。

3请联系Allegro以获取300除高斯以外的特定输入场范围的可用选项。

4测量为每个空气隙完成100次（默认模式下的设备1个样品每读）。

最初发表在设计新闻, January 2015.