Смещение датчиком холла


Некоторые применения линейных интегральных датчиков Холла компании Allegro Microsystems - Компоненты и технологии

Интегральные датчики Холла находят применение во многих областях современной промышленности, например в машиностроении, автомобильной электронике, авиационной технике. В отличие от механических и оптических датчиков, датчики Холла обладают важным преимуществом — они практически нечувствительны к механическим воздействиям и изменению параметров окружающей среды, при этом обеспечивают минимизацию стоимости готового решения.

Введение

Наибольшее распространение получили так называемые ключевые датчики Холла — микросхемы, выход которых меняет логическое состояние при превышении напряженностью магнитного поля определенной величины. Такие датчики применяются, в частности, для измерения частоты вращения и величины перемещения движущихся объектов — валов электродвигателей, зубчатых колес редукторов, транспортерных лент и т. п. Однако существует отдельный класс интегральных микросхем с элементом Холла, позволяющий значительно расширить область применения либо дать разработчику большую гибкость при построении системы в традиционных областях применения. Речь идет о так называемых линейных датчиках Холла. В данной статье мы рассмотрим основные характеристики и области применения этих устройств.

Структура и основные характеристики линейных датчиков Холла

Линейные датчики Холла (ЛДХ) обычно оптимизируют для измерения величины униполярного или биполярного магнитного поля. ЛДХ характеризуются двумя основными параметрами — чувствительностью и линейностью в заданном диапазоне рабочих температур.

Рис. 1

Типовая передаточная характеристика ЛДХ (зависимость выходного напряжения от амплитуды магнитного поля) показана на рис. 1. Большинство датчиков с однополярным питанием имеют выходное напряжение нуля (соответствующее нулевой напряженности магнитного поля), равное половине диапазона изменения выходного напряжения или половине напряжения питания. В последнем случае величина напряжения нуля и чувствительность зависят от величины напряжения питания. Это наблюдается в датчиках с пропорциональным выходом, представляющих собой элемент Холла с линейным усилителем (рис. 2). Так, у популярного датчика A3515 при напряжении питания +5,0 В напряжение нуля и чувствительность равны 2,5 В и 5,0 мВ/Гаусс соответственно, а при увеличении питания до 5,5 В данные параметры изменяются до значений 2,75 В и 5,5 мВ/Гаусс. Вот почему при использовании ЛДХ этого типа необходимо предъявлять более жесткие требования к источнику питания. В то же время датчики позволяют осуществить простую регулировку чувствительности без дополнительных усилительных компонентов, что может быть весьма полезно.

Рис. 2

Современные ЛДХ представляют собой монолитную интегральную схему, где на одном кристалле объединены элемент Холла, линейный усилитель и оконечный каскад усиления мощности класса А (рис. 3). Кроме того, для увеличения точности преобразования и обеспечения температурной стабильности в микросхеме реализована система автоматической коррекции напряжения смещения и фильтрация сигнала после линейного усилителя.

Рис. 3

Таблица 1. Номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems

В таблице 1 приведена номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems. Датчики А1301, А1302 имеют схему, показанную на рис. 3. Они обеспечивают невысокое значение точности и могут использоваться, например, в системах регистрации угловых или линейных перемещений объектов. На показатели точности и стабильности характеристик ЛДХ с одним элементом Холла может оказывать влияние множество факторов: дисбаланс градиентов сопротивления в зависимости от направления тока, геометрическая неоднородность, пьезорезистивные эффекты и даже внешние механические воздействия на корпус микросхемы. Для устранения влияния указанных факторов на точность ЛДХ используется схема динамической квадратурной компенсации смещения. Принцип ее работы иллюстрирует рис. 4. Токи элемента Холла с двух направлений (0° и 90°) поочередно коммутируются с частотой около 200 кГц на входы дифференциального усилителя, осуществляя «электронный поворот» элемента на 90°. При этом к моменту «поворота» схема выборки-хранения фиксирует напряжение на выходе усилителя, устраняя коммутационные помехи. Окончательно сигнал пропускается через ФНЧ для полного восстановления. Схемотехника динамической квадратурной компенсации позволяет практически полностью устранить влияние внешних дестабилизирующих факторов, а также добиться высокой стабильности выходного напряжения смещения. К недостаткам схемы можно отнести наличие в спектре выходного сигнала шумов в полосе частот коммутации Fком, что ограничивает максимальную частоту выходного сигнала датчика величиной, обычно равной 0,1–0,2 Fком.

Рис. 4

Описанный принцип компенсации смещения используется в датчиках А1321–А1323 (рис. 5). Эти изделия относятся к классу прецизионных калиброванных ЛДХ и сохраняют высокую точность и линейность преобразования в температурном диапазоне от –40 до +150 °С. Однако, как отмечалось выше, схемотехника динамической компенсации смещения приводит к увеличению шума на выходе датчика. Так, если у линейных датчиков А1301, А1302 амплитуда выходных шумов в полосе 10 кГц не превышает 150 мкВ, то у А1321–А1323 это значение оказывается уже на два порядка выше — около 25 мВ. Соответственно, при одинаковом коэффициенте преобразования 2,5 мВ/Гаусс разрешение по минимальной регистрируемой величине магнитного поля у А1301 составляет 0,06 Гаусс, а у А1323 — 10 Гаусс.

Рис. 5

Использование регулировки напряжения питания для масштабирования коэффициента преобразования ЛДХ приводит к ряду сложностей при проектировании схемы. Во-первых, резко возрастают требования к стабильности напряжения источника питания. Во-вторых, пульсации и шумы питающего напряжения непосредственно модулируют выходной сигнал датчика, оказывая влияние на точность измерения, что требует применения сложной фильтрации, а значит, намного удорожает схему. От подобных недостатков свободны датчики нового поколения А1391, А1392 (рис. 6). Эти микросхемы имеют отдельный вход образцового напряжения масштабирования VREF, с помощью которого можно задать любое значение уровня нуля и коэффициента преобразования. При этом схема обеспечивает глубину подавления помех по напряжению питания около 60 дБ. Стабилизация смещения выполнена аналогично А1321–А1323, однако амплитуда шумов снижена на 20%.

Рис. 6

В датчиках А1391 и А1392 реализован режим электронного отключения по входу SLEEP. При подаче на этот вход логического нуля микросхема переходит в режим пониженного энергопотребления (менее 25 мкА), а выход датчика переходит в третье состояние с высоким импедансом. Это позволяет объединять группы датчиков параллельно по выходам и использовать единый АЦП без встроенного мультиплексора (рис. 7). Опрос датчиков может осуществляться внешним микропроцессором выдачей сигнала логической единицы на вход SLEEP соответствующей микросхемы.

Рис. 7

Применение ЛДХ

Среди областей применения линейных датчиков Холла следует выделить две наиболее распространенные. Это устройства измерения линейного или углового перемещения и измерения электрического тока.

Измерение линейного или углового перемещения

В большинстве применений для измерения перемещения объектов ЛДХ используют совместно с постоянными магнитами. Это обусловлено тем, что для поддержания максимальной линейности необходимо обеспечить большую величину изменения магнитного поля при изменении расстояния между ЛДХ и опорной точкой на перемещающемся объекте. Постоянный магнит необходимо выбирать с возможно большей напряженностью поля, например SaCo или AlNiCo.

Существует несколько вариантов взаимного расположения постоянного магнита и ЛДХ в системах измерений перемещений объектов. Наиболее простой способ — линейное расположение ЛДХ и магнита на одной оси так, чтобы силовые линии магнитного поля пересекали датчик под углом 90°. При таком расположении существует сильно нелинейная зависимость между выходным напряжением ЛДХ и расстоянием между ним и магнитом (рис. 8). При относительно небольших перемещениях отклонение от линейности невелико и можно не прибегать к дополнительной линеаризации. В противном случае необходимо использовать дополнительную схему линеаризации характеристики расстояние — напряжение.

Рис. 8

Второй вариант — расположение ЛДХ и магнита в параллельных плоскостях. При такой ориентации система имеет точку нулевого поля, что позволяет получать дополнительную информацию о направлении перемещения по знаку выходного напряжения (например, вправо — увеличение напряжения, влево — уменьшение (рис. 9)). Как видно из рис. 9, центральная область относительно точки нулевого перемещения имеет высокую линейность, что с успехом может быть использовано в таких применениях, как потенциометры, воздушные корректоры (пневматические клапаны), датчики положения дроссельных заслонок и т. п. Кстати, в данном варианте, благодаря большой амплитуде изменения напряженности магнитного поля около нулевой точки, выходное напряжение ЛДХ тоже имеет большой размах, что упрощает последующую обработку сигнала.

Рис. 9

Третий вариант — расположение ЛДХ между двумя комплементарно установленными магнитами (рис. 10). Комплементарные поля системы двух магнитов обеспечивают хорошую линейность с высокой крутизной характеристики. Эта система также располагает точкой нулевого перемещения, что позволяет иметь информацию о направлении перемещения. Недостатком описанного варианта является достаточно небольшой диапазон перемещений в такой системе, что ограничивает область ее применения.

Рис. 10

Большинство рассмотренных вариантов в той или иной степени требуют линеаризации зависимости выходного сигнала от расстояния. Это можно реализовать с помощью АЦП и микроконтроллера, если в разрабатываемом устройстве предусмотрено последующее цифровое управление. Если же в результате требуется получить аналоговый сигнал, линейно зависящий от расстояния, процесс линеаризации может быть легко реализован с помощью программируемой аналоговой интегральной схемы (ПАИС) Anadigm [1]. При этом достаточно один раз снять экспериментальную зависимость функции преобразования и занести ее в виде таблицы коэффициентов в среду разработки. Кроме линеаризации, в ПАИС можно при необходимости реализовать и дополнительную обработку сигнала (усиление, фильтрацию, детектирование нуля и т. п.).

Измерение электрического тока

Существует большое количество методов измерения тока, но только три из них нашли широкое применение в производстве массовой продукции. Это резистивный метод, трансформаторные датчики и датчики тока на эффекте Холла. Резистивный метод — самый простой и экономичный, но имеет существенные недостатки, среди которых — большие потери мощности на резисторе и отсутствие гальванической развязки измерительной и измеряемой цепей. Кроме того, проволочные резисторы обладают значительной индуктивностью, что не позволяет использовать их в схемах измерения импульсных и ВЧ-токов. Применение мощных безындукционных толстопленочных резисторов сводит экономический эффект данного метода к нулю. Использование трансформаторов тока — намного более дорогое решение, к тому же возможное только при измерении переменного тока в ограниченной полосе частот.

Датчики тока на эффекте Холла занимают промежуточное положение по цене между рассмотренными выше типами. Их основные преимущества — отсутствие потерь проводимости и возможность измерения как постоянного, так и переменного тока. Помимо того элемент Холла изолирован от токовой цепи, что автоматически обеспечивает гальваническую развязку. Необходимость внешнего питания нельзя назвать существенным недостатком, так как в подавляющем большинстве случаев датчик не является оконечным устройством и после него все равно находятся другие компоненты схемы, также требующие электропитания.

Поскольку диапазон измеряемых ЛДХ значений индукции магнитного поля ограничен, при выборе конструкции необходимо правильно определить конфигурацию магнитной цепи датчика. Напряженность поля, создаваемая источником тока, должна соответствовать диапазону измерения ЛДХ.

При измерении тока от нескольких десятков до тысяч ампер датчик Холла может находиться вблизи проводника, без использования дополнительного магнитопровода. Для существующих типов датчиков оптимальной можно считать величину индукции магнитного поля около 100 Гаусс в середине диапазона измерений. Это обеспечит приемлемую чувствительность датчика по уровню выходных шумов. Индукция магнитного поля, создаваемая проводником с током, может быть оценена по известной формуле (в системе СИ):

где r — расстояние между центрами проводника и микросхемы датчика Холла (рис. 11). При выборе положения ЛДХ относительно проводника необходимо учитывать, что наибольшая чувствительность достигается при пересечении линиями магнитного поля плоскости датчика под прямым углом. Данный метод обладает тем недостатком, что любой внешний источник магнитного поля будет влиять на показания датчика тока.

Рис. 11

Повысить чувствительность и снизить внешние влияния позволяет тороидальный магнитопровод с зазором, в котором установлена микросхема прецизионного калиброванного ЛДХ типа А1321–А1323 (рис. 12). При этом все поле сосредоточено в зазоре и внешнее влияние практически отсутствует. Индукцию в зазоре можно оценить по соотношению:

Рис. 12

Описанный принцип измерения тока реализован в модульных датчиках компании Allegro Microsystems семейства ACS (рис. 13, таблица 2).

Таблица 2. Характеристики модульных датчиков компании Allegro Microsystems семейства ACS

Рис. 13

Конструкция, показанная на рис. 12, не позволяет измерять малые значения токов. Это связано с ограничением чувствительности ЛДХ по выходному шуму. Так, при использовании микросхемы А1323 разрешение по магнитной индукции, ограниченное шумами в полосе 10 кГц, составляет 10 Гаусс, или около 1,5 А. Существует два выхода: либо использовать ЛДХ с линейным некомпенсированным усилителем, либо применить многовитковую конструкцию (рис. 14). В первом случае, как было показано выше, чувствительность возрастет до 0,06 Гаусс, или около 10 мА. Для обеспечения такой чувствительности в многовитковой конструкции потребуется намотать более 150 витков, что приводит к резкому увеличению индуктивности и может оказаться неприемлемым. Поэтому в каждом конкретном случае приходится идти на компромисс между разрешением датчика и полосой частот. Например, ограничение полосы частот с помощью простейшего RC ФНЧ на выходе ЛДХ А1323 до 1 кГц позволит увеличить разрешение до 0,1 А.

Рис. 14

Заключение

Мы рассмотрели два наиболее популярных применения ЛДХ, позволяющих значительно упростить решение широкого круга задач при проектировании аппаратуры систем автоматического регулирования, электропитания и преобразовательной техники. Надеемся, что этот материал будет полезен разработчикам при выборе того или иного технического решения.

Литература

  1. Цикл статей, посвященный программируемым аналоговым интегральным схемам Anadigm // Компоненты и технологии. 2005. № 1–9.

принцип работы, как проверить своими руками, применение

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения Uхолла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

  • Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток
  • Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

  • униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
  • биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.
Внешний вид цифрового датчика Холла

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

  • А – проводник.
  • В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
  • С – аналоговый датчик Холла.
  • D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

  • А – датчик.
  • B – магнит.
  • С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

  • При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
  • В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
  • В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

  • Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
  • Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
  • Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
  • Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
  • В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

  • попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
  • произошел обрыв сигнального провода;
  • в разъем ДП попала вода;
  • сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
  • порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
  • повреждение проводов, подающих питание к ДП;
  • перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
  • проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
  • проблемы с блоком управления;
  • неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
  • возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

  1. Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:
  • отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
  • запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

Обратим внимание, что для выявления искрообразования высоковольтный проводок должен находиться рядом с массой.

  1. Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.
Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ
  1. Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

  1. Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
  2. Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, — меняем датчик на новый.

возвращение квадратурных энкодеров / Хабр

Это уже третья статья, рассказывающая о квадратурных декодерах, на сей раз с применением к управлению бесколлекторными двигателями.
Задача: есть обычный китайский бесколлекторник, нужно его подключить к контроллеру Copley Controls 503. В отличие от копеечных коптерных контроллеров, 503й хочет сигнал с датчиков холла, которых на движке нет. Давайте разбираться, для чего нужны датчики и как их ставить.
В качестве иллюстрации я возьму очень распространённый двигатель с двенадцатью катушками в статоре и четырнадцатью магнитами в роторе. Вариантов намотки и количества катушек/магнитов довольно много, но суть всегда остаётся одной и той же. Вот фотография моего экземпляра с двух сторон, отлично видны и катушки, и магниты в роторе:



Чтобы было ещё понятнее, я нарисовал его схему, полюса магнитов ротора обозначены цветом, красный для северного и синий для южного:

На датчики холла пока не обращайте внимания, их всё равно нет :)

Что будет, если подать плюс на вывод V, а минус на вывод W (вывод U не подключаем ни к чему)? Очевидно, будет течь ток в катушках, намотанных зелёным проводом. Катушки намотаны в разном направлении, поэтому верхние две катушки будут притягиваться к магнитам 1 и 2, а нижние две к магнитам 8 и 9. Остальные катушки и магниты в такой конфигурации роли практически не играют, поэтому я выделил именно магниты 1,2,8 и 9. При такой запитке мотора он очевидно крутиться не будет, и будет иметь семь устойчивых положений ротора, равномерно распределённых по всей окружности (левая верхняя зелёная катушка статора может притягивать магниты 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13).

Давайте записывать наши действия вот в такую табличку:

Угол поворота ротора U V W
n.c. + -

А что будет, если теперь подать плюс на U и минус на W? Красные катушки притянут к себе магниты 3,4,10 и 11, таким образом чуть-чуть повернув ротор (я по-прежнему выделяю магниты, за которые ротор тянет):

Давайте посчитаем, на сколько повернётся ротор: между щелями магнитов 1-2 и 3-4 у нас 51.43° (=360°*2/7), а между соответствующими щелями в статоре 60° (=360°/12*2). Таким образом, ротор провернётся на 8.57°. Обновим нашу табличку:

Угол поворота ротора U V W
8.57° + n.c. -

Теперь сам бог велел подать + на U и — на V!


Угол поворота ротора U V W
17.14° + - n.c.

Теперь опять пора выровнять магниты с зелёными катушками, поэтому подаём напряжение на них, но красный и синий магниты поменялись местами, поэтому теперь нужно подать обратное напряжение:


Угол поворота ротора U V W
25.71° n.c. - +

C оставшимися двумя конфигурациями всё ровно так же:


Угол поворота ротора U V W
34.29° - n.c. +


Угол поворота ротора U V W
42.85° - + n.c.

Если мы снова повторим самый первый шаг, то наш ротор провернётся ровно на одну седьмую оборота. Итак, всего у нашего мотора три вывода, мы можем подать напряжение на два из них шестью разными способами 6 = 2*C23, причём мы их все уже перебрали. Если подавать напряжение не хаотично, а в строгом порядке, который зависит от положения ротора, то двигатель будет вращаться.

Запишем ещё раз всю последовательность для нашего двигателя:

Угол поворота ротора U V W
n.c. + -
8.57° + n.c. -
17.14° + - n.c.
25.71° n.c. - +
34.29° - n.c. +
42.86° - + n.c.

Есть один нюанс: у обычного коллекторного двигателя за переключение обмоток отвечают щётки, а тут нам надо определять положение ротора самим.
Теперь давайте поставим три датчика холла в те чёрные точки, обозначенные на схеме. Давайте договоримся, что датчик выдаёт логическую единицу, когда он находится напротив красного магнита. Всего существует шесть (сюрприз!) возможных состояний трёх датчиков: 23 — 2. Всего возможных состояний 8, но в силу расстояния между датчиками они не могут все втроём быть в логическом нуле или в логической единице:

Обратите внимание, что они генерируют три сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 1/3 периода. Кстати, электрики используют слово градусы, говоря про 120°, чем окончательно запутывают нубов типа меня. Если мы хотим сделать свой контроллер двигателя, то достаточно читать сигнал с датчиков, и соответственно переключать напряжение на обмотках.

Для размещения датчиков я использовал вот такую платку, дизайн которой взял тут. По ссылке лежит проект eagle, так что я просто заказал у китайцев сразу много подобных платок:

Эти платки несут на себе только три датчика холла, больше ничего. Ну, по вкусу можно поставить конденсаторы, я не стал заморачиваться. Очень удобно сделаны длинные прорези для регулировки положения датчиков относительно статора.

Постойте, но ведь это очень похоже на квадратурный сигнал с обычного инкрементального энкодера!


Ещё бы! Единственная разница, что инкрементальные энкодеры дают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90°, а у нас три сигнала, сдвинутые на 120°. Что будет, если завести любые два из них на обычный квадратурный декодер, например, той же самой синей таблетки? Мы получим возможность определять положение вала с точностью до четырёх отсчётов на одну седьмую оборота, или 28 отсчётов на оборот. Если вы не поняли, о чём я, прочтите принцип работы квадратурного декодера в первой статье.

Я долго думал, как же мне использовать все три сигнала, ведь у нас происходит шесть событий на одну седьмую оборота, мы должны иметь возможность получить 42 отсчёта на оборот. В итоге решил пойти грубой силой, так как синяя таблетка имеет кучу аппаратных квадратурных декодеров, поэтому я решил в ней завести три счётчика:

Видно, что при каждом событии у нас увеличиваются два из них, поэтому сложив три счётчика, и поделив на два, мы получим равномерно тикающий определитель положения вала, с точностью до 6*7 = 42 отсчёта на оборот!

Вот так выглядит макет подключения датчиков Холла к синей таблетке:


В некоторых приложениях (например, для коптеров) все эти заморочки не нужны. Контроллеры пытаются угадать происходящее с ротором по току в катушках. С одной стороны, это меньше заморочек, но с другой стороны, иногда приводит к проблемам с моментом старта двигателя, поэтому слабоприменимо, например, в робототехнике, где нужны околонулевые скорости. Давайте попробуем запитать наш движок от обычного китайского коптерного ESC (electronic speed controller).

Мой контроллер хочет на вход PPM сигнал: это импульс с частотой 50Гц, длина импульса задаёт обороты: 1мс — останов, 2мс — максимально возможные обороты (считается как KV двигателя * напряжение).

Вот здесь я выложил исходный код и кубовские файлы для синей таблетки. Таймер 1 генерирует PWM для ESC, таймеры 2,3,4 считают соответствующие квадратурные сигналы. Поскольку в прошлой статье я крайне подробно расписал, где и что кликать, то здесь только даю ссылку на исходный код.

На вход моему ESC я даю пилообразное задание скорости, посмотрим, как он его отработает. Вывод синей таблетки лежит тут, а код, который рисует график, тут.

Поскольку у меня двигатель имеет номинал 400KV, а питание я подал 10В, то максимальные обороты должны быть в районе 4000 об/мин = 419 рад/с. Ну а вот и график подоспел:

Видно, что реальные обороты соответствуют заданию весьма приблизительно, что терпимо для коптеров, но совершенно неприменимо во многих других ситуациях, почему, собственно, я и хочу использовать более совершенные контроллеры, которым нужны сигналы с датчиков холла. Ну и бонусом я получаю угол поворота ротора, что бывает крайне полезно.


Я провёл детство в обнимку с этой книжкой, но раскурить принципы работы бесколлекторников довелось только сейчас.

Оказывается, что шаговые моторы и вот такое коптерные моторчики — это (концептуально) одно и то же. Разница лишь в количестве фаз: шаговики (обычно, бывают исключения) управляются двумя фазами, сдвинутыми на 90°, а бесколлекторники (опять же, обычно) тремя фазами, сдвинутыми на 120°.

Разумеется, есть и другие, чисто практические отличия: шаговики рассчитаны на увеличение удерживающего момента и повторяемость шагов, в то время как коптерные движки на скорость и плавность вращения, что сказывается на количестве обмоток, подшипниках и т.п. Но в итоге обычный бесколлекторник можно использовать в шаговом режиме, а шаговик в постоянном вращении, управление у них будет одинаковым.

Update: красивая анимация от Arastas:

Датчик Холла | Виды, принцип работы, как проверить

Что такое датчик Холла

Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами – это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.

Эффект Холла

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странный эффект. Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я пометил гранями ABCD.

Он пропускал постоянный ток через грани D и B. Потом поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и обнаружил напряжение на гранях А и C!  Этот эффект и был назван в честь этого великого ученого. Основной физический принцип данного эффекта был основан на силе Лоренца. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, стали называть датчиками Холла. 

Но здесь один маленький нюанс. Дело в том, что напряжение Холла даже при самой большой напряженности магнитного поля будет какие-то микровольты. Согласитесь, это очень мало. Поэтому, помимо самой пластинки в датчик Холла устанавливают усилители постоянного тока, логические схемы переключения, регулятор напряжения а также триггер Шмитта. В самом простом переключающем датчике Холла все это выглядит примерно вот так:

где

Supply Voltage – напряжение питания датчика

Ground – земля

Voltage Regulator – регулятор напряжения

А – операционный усилитель

Hall Sensor – собственно сама пластинка Холла

Output transisitor Switch – выходной переключающий транзистор (транзисторный ключ)

Линейные (аналоговые) датчики Холла

В линейных датчиках напряжение Холла (напряжение на гранях А и С) будет зависеть от напряженности магнитного поля. Или простыми словами, чем ближе мы поднесем магнит к датчику, тем больше будет напряжение Холла. Это и есть прямолинейная зависимость.

В линейных датчиках Холла выходное напряжение берется сразу с операционного усилителя. То есть в линейных датчиках вы не увидите триггер Шмитта, а также выходного переключающего транзистора. То есть все это будет выглядеть примерно вот так:

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку.

Теоретически, если подавать ну очень сильный магнитный поток на датчик Холла, то напряжение Холла будет бесконечно большим? Как бы не так). Выходное напряжение будет лимитировано напряжением питания. То есть график будет выглядеть примерно вот так:

Как вы видите, до какого-то момента у нас идет линейная зависимость выходного напряжения датчика от плотности магнитного потока. Дальнейшее увеличение магнитного потока бесполезно, так как оно достигло напряжения насыщения, которое ограничено напряжением питанием самого датчика Холла.

Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого провода, например, токовые клещи.

Существуют также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах, называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально плотности магнитного потока.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Цифровые датчики Холла

Как только наступила  эра цифровой элек троники, в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Самый простой датчик Холла на триггере Шмитта мы уже рассмотрели выше и он выглядит вот так:

По сути такой датчик имеет только два состояние на выходе. Либо сигнал есть (логическая единица), либо его нет (логический ноль). Гистерезис на триггере Шмитта просто устраняет частые переключения, поэтому в цифровых датчиках Холла он используется всегда.

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные

Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. К примеру, подносим южный полюс магнита и датчик сработает. На северный магнитный полюс он реагировать не будет.

Биполярные

Подносим магнит одним полюсом – датчик сработает и будет продолжать работать даже тогда, когда мы уберем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

Судя по даташиту, на первую ножку подаем плюс питания, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого соберем простейшую схему: светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс питания – на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил красным бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать, где северный полюс, а где южный.

Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу потух.

Переворачиваю магнит другим полюсом, подношу его к датчику Холла и вуаля!

Если магнит не переворачивать, то есть не менять полюса, то светодиод также останется потухшим, потому что датчик биполярный.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль.

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков

  • датчики тока
  • тахометры
  • датчики вибрации
  • детекторы ферромагнетиков
  • датчики угла поворота
  • бесконтактные потенциометры
  • бесколлекторные двигатели постоянного тока
  • датчики расхода
  • датчики положения

Применение цифровых датчиков

  • датчики частоты вращения
  • устройства синхронизации
  • датчики систем зажигания автомобилей
  • датчики положения
  • счетчики импульсов
  • датчики положения клапанов
  • блокировка дверей
  • измерители расхода
  • бесконтактные реле
  • детекторы приближения
  • датчики бумаги (в принтерах)

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Они не имеют электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона  и электромагнитного реле. В настоящее время они уже почти полностью заменили герконы.

принцип работы, применение, принципиальная схема, подключение

Датчики стали незаменимой частью жизни людей. Они делают ее проще. Датчики света, звука, движения управляют разными техническими системами. Ту же функцию – управление системами выполняют датчики на основе эффекта Холла (далее ДХ – датчик Холла). Далее будет рассмотрено устройство и особенности датчика Холла, разновидности контроллера, его применение, а также принцип работы.

Описание и применение

Контроллер, в основе которого лежит действие эффекта Холла, относится к датчикам магнитного типа. Они выдают электрический сигнал в зависимости от изменения магнитного поля вокруг них.

Эффект Холла состоит в появлении напряжения в проводнике при прохождении через него электрического тока. Электрический ток меняет магнитное поле, за ним меняется индукция этого поля, в итоге создается разность потенциалов.

Регистр Холла работает следующим образом:

  • вокруг него создается магнитное поле, активирующее контроллер;
  • при внесении в поле какого-либо объекта, оно выходит за первоначальные границы; датчик этот процесс фиксирует и генерирует напряжение, пропорциональное изменению.

Напряжение называется напряжением Холла.

На основе датчика Холла собирают контроллеры приближения, движения, переключатели и другие полезные в быту и промышленности устройства.

Виды, устройство и принцип действия

Всего выделяют два вида датчиков на основе эффекта Холла. Первые – цифровые, вторые – аналоговые. Они значительно отличаются друг от друга в плане конструкции и принципа функционирования.

Цифровые

Цифровые регистры имеют два устойчивых положения: ноль или единица – то есть они срабатывают при определенной величине изменения магнитного поля. В основе таких датчиков лежит устройство под названием триггер Шмитта, которое имеет два устойчивых состояния: логический ноль и логическая единица.

Контроллеры подобного типа делятся на три вида:

  1. Униполярные.
  2. Биполярные.
  3. Омниполярные.

Каждый из этих видов далее будет подробно рассмотрен.

Униполярные

Контроллеры подобного вида работают только в том случае, если к ним прикладывается магнитное поле положительной полярности от южного полюса. Только при этом условии происходит срабатывание и отпускание контроллера.

Биполярные

Эти цифровые датчики работают под действием магнитного поля и южного, и северного полюса. Их особенность состоит в том, что срабатывают они под действием поля от южного полюса, а отпускаются под действием северного полюса.

Омниполярные

Уникальность этих контроллеров Холла состоит в том, что они могут включаться и выключаться под действием поля от любого полюса.

Аналоговые

В отличие от цифровых аналоговые датчики способны выдавать на выходе не два стабильных уровня сигнала, а бесконечное множество. Их принцип работы основан на преобразовании величины индукции поля в напряжение.

Конструкция этих устройств содержит элемент Холла (сам контроллер) и усилитель сигнала.

Применение

И аналоговые (линейные), и цифровые контроллеры нашли широкое применение во всех сферах жизни.

Линейные

Из-за большого количества уровней выходного напряжения такие контроллеры часто применяют в измерительной технике.

Датчик тока

Регистр тока на ДХ сделать очень просто. Необходимо установить лишь правильный преобразователь, который из напряжения, создаваемого в результате прохождения тока через проводник, будет получать ток. Ток с напряжением связаны законом Ома.

Тахометр

Тахометр измеряет частоту вращения чего-либо. Например, вала. Сделать такое устройство на ДХ очень просто. Достаточно установить датчик рядом с вращающимся объектом, а на сам объект повесить небольшой магнит.

Как только магнит будет проходить рядом с датчиком, индукция поля будет изменятся, как и величина напряжения на выходе соответственно.

По изменению последней можно судить о скорости вращения вала.

Датчик вибраций

На основе ДХ можно сконструировать простой регистр вибрации, который будет реагировать на изменение магнитного поля в результате микроперемещений магнита, создающего поле для проводника с током.

Детектор ферромагнетиков

Ферромагнетики – магнитоактивные вещества. Они искажают магнитное поле планеты. По величине этого искажения можно определить, насколько сильный тот или иной ферромагнетик.

Как измерить это искажение? Это можно сделать с помощью ДХ. Если внести в поле магнита, создающего напряжение в проводнике, магнитный материал (ферромагнетик), то поле изменит индукцию и это повлияет на создаваемую разность потенциалов.

Датчик угла поворота

ДХ способны измерять угол вращения какого-то либо объекта. Например, если на нем установлены магнит и контроллер Холла, то по величине индукции (близости магнита к датчику) можно определить угол вращения.

Потребуется лишь правильно определить зависимость между индукцией и углом. В этом поможет университетский курс физики и механики.

Бесконтактный потенциометр

Напряжение с током связаны по закону Ома через сопротивление. Зная ток через проводник и напряжение, не сложно рассчитать подключенное к проводнику сопротивление. Этот факт позволяет строить на ДХ бесконтактные потенциометры.

ДХ в бесколлекторном двигателе постоянного тока

Подобные контроллеры часто применяются в бесколлекторных двигателях в качестве измерителей угла поворота.

Датчик расхода

Датчик расхода на аналоговом ДХ устроен так, что объем пропущенного через этот датчик вещества пропорционален изменению магнитной индукции поля вокруг него.

Датчик положения

Чтобы собрать датчик положения на ДХ, нужно к отслеживаемой цели подключить магнитную пластину. Когда эта пластина будет менять положение относительно магнита в ДХ, поле будет менять свой состав и по изменению индукции этого поля можно будет определить положение объекта.

Цифровые

Такие контроллеры применяются в электронике и промышленности для управления включением и выключением, например, станков с численным программным управлением, а также для регулирования работы автоматизированных систем.

Датчики

На цифровых ДХ собирают различные контроллеры, способные отслеживать изменение различных величин и реагировать на изменения.

Контроллер частоты вращения

Контроллеры Холла, измеряющие частоту вращения чего-либо, называются энкодерами. Обычно их несколько устанавливается на определенную позицию, через которую проходит несколько магнитов с вращающегося объекта.

Как только магнит пересекает первый датчик, последний выдает на выходе уровень логической единицы. С другими контроллерами аналогично. Момент появления логической единицы на одном из датчиков позволяет оценить частоту вращения объекта.

Контроллер системы зажигания авто

Система зажигания устроена таким образом, что имеет два устойчивых состояния: включено-выключено. Такие же устойчивые логические уровни имеют цифровые ДХ. Соединить эти приборы в одно устройство не составляет труда: к системе зажигания присоединяется магнитная пластина.

Когда система находится в положении «включено», пластина пересекает магнитное поле ДХ и разность потенциалов в проводнике контроллера изменяется. Этим изменением можно управлять различными системами авто.

Контроллер положения клапанов

Если к клапану подсоединить магнитную пластину, а ее расположить рядом с контроллером Холла, то при открытии (или, наоборот, закрытии) клапана индукция поля и, как следствие, напряжение в проводнике изменится, а это изменение переведет контроллер в одно из логических состояний (ноль, единица).

Так можно фиксировать открывание и закрывание клапанов.

Контроллер бумаг в принтере

Наличие бумаги в принтере можно фиксировать точно так же, как и положение клапанов. Есть флажок, который устанавливается и пересекает поле постоянного магнита ДХ, если в принтер поступает бумага.

Устройства синхронизации

Датчики синхронизации активно применяются в автомобилестроении, где они регулируют время и объем подачи топлива, углы опережения зажигания и поворота распределительного вала, а также других показателей.

Такие датчики представляют собой намагниченный сердечник с медной обмоткой, на концах которой фиксируют разность потенциалов.

Счетчик импульсов

С помощью эффекта Холла можно считать поступающие в проводник импульсы. Импульс – сигнал высокого уровня. Соответственно, есть сигнал низкого уровня (обычно это 0). Если импульс поступает на проводник, то на его концах создается разность потенциалов под действием магнитного поля. Когда импульс пропадает, разность потенциалов тоже исчезает. По скорости появления-пропадания напряжения в проводнике можно судить о количестве импульсов: зная время и скорость можно определить количество.

Блокировка дверей

Магнит контроллера располагается на двери машины, например, а сам контроллер – на дверной коробке. Как только замок, не снятый с сигнализации, попытается кто-то открыть и потянет на себя ручку двери, подключенная система заблокирует двери и предотвратит доступ в машину. Так и работает блокировка дверей с применением ДХ.

Вместо системы блокировки дверей к датчику можно подключить сирену или другую сигнализацию.

Измеритель расхода

Расходометр на ДХ устроен таким образом, что каждое изменение магнитного потока, фиксируемое контроллером, равняется определенной порции прошедшего вещества (жидкости, например).

Бесконтактное реле

Бесконтактные реле на ДХ так устроены, что при изменении магнитной индукции поля вокруг проводника на нем меняется напряжение и это изменение разности потенциалов провоцирует переключение реле.

Детектор приближения

Контроллер приближения на цифровом ДХ аналогичен контроллеру на линейном ДХ с той лишь разницей, что цифровой выдает только два уровня сигнала – высокий и низкий – а аналоговый –бесконечное множество, то есть, например, цифровым контроллером можно только включить и выключить свет, а аналоговым включить на определенную величину, сделать свет ярче или тусклее, а потом выключить.

Какие функции выполняет в смартфоне

Когда человек подносит смартфон близко к уху, экран телефона гаснет для предотвращения случайных нажатий. Как это удалось реализовать разработчикам? При помощи цифрового датчика приближения, основанного на эффекте Холла.

Как изготовить своими руками

Чтобы сделать простейший ДХ своими руками, понадобится:

  1. Ферритовое кольцо.
  2. Проводник для тока.
  3. Элемент Холла (микросхема ACS 711, например).
  4. Дифференциальный усилитель.

В кольце необходимо пропилить зазор, в котором расположится элемент Холла. Его потребуется подключить к дифференциальному усилителю, который представляет особой ОУ с отрицательной обратной связью.

Если изменение индукции – это своеобразная «ошибка», то ОУ выступает в роли усилителя ошибки, как показано на принципиальной схеме подключения на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема подключения элемента Холла.

Вместо усилителя можно установить микроконтроллер и через ограничительный резистор подключить его к выводу микросхемы ACS 711 в режиме АЦП. Тогда к другому выводу микроконтроллера можно подключить полевой транзистор и получится генератор импульсов, который можно использовать в режиме широтно-импульсной модуляции, например.

Преимущества и недостатки

К преимуществам ДХ можно отнести:

  1. Многофункциональность. Контроллеры Холла, как описано выше, могут играть роль десятков видов датчиков.
  2. Надежность. Не подвержены износу т.к. не имеют движущихся частей. На их работе не влияет ни влага, ни пыль (вибрация в меньшей степени).
  3. Простота. Практически не требует обслуживания.

Среди недостатков ДХ выделяют:

  1. Низкий радиус действия. Обычно ДХ не работает на расстоянии больше 10 см. В противном случае придется использовать очень сильный магнит.
  2. Сложно обеспечить стабильность измерений. Из-за постоянно меняющегося магнитного поля точность измерений ДХ всегда будет немного колебаться.

Главный недостаток ДХ – температурная нестабильность.

Чем выше температура, тем быстрее движутся заряды в проводнике, тем чувствительнее датчик ко всем колебаниям магнитного поля.

признаки и причины неисправности, проверка, ремонт, замена

В современном автомобиле установлено множество датчиков, сигнализирующих о различных процессах, протекающих внутри и снаружи машины. Так, спидометр работает благодаря датчику, измеряющему частоту оборотов колес, лямбда-зонд – измеряет количество кислорода в отработанных газах. Задача датчика Холла – это участие в определении момента зажигания, без которого нормальная работа двигателя была бы невозможна.

Назначение и принцип работы датчика Холла

Датчик Холла берет название от фамилии изобретателя, который в 1879 г открыл гальваномагнитное явление. Его суть заключается в возникновении разницы потенциалов при помещении проводника в магнитное поле, что вызывает поступление на него постоянного электрического тока. Датчик использует описанный выше эффект в условиях установленного под напряжением внутри прибора проводника, на который воздействует магнитное поле, пересекающее его поперек, и создает электродвижущую силу.

Принцип работы устройства основан на фиксации присутствия или отсутствия магнитного поля. При достижении силы индукции определенного значения, датчик показывает наличие поля. Если показатель ниже установленного значения, датчик указывает на его отсутствие. Чувствительность прибора определяется способностью фиксировать магнитное поле различной индуктивности, и может изменяться в зависимости от необходимых требований.

Автомобильный датчик Холла предназначен для измерения импульсов, на основании которых электроника блока управления зажиганием дает команду образования искры в необходимый для этого момент. Конструктивно прибор состоит из следующих частей:

  1. Постоянного магнита.
  2. Стального экрана с несколькими прорезанными отверстиями.
  3. Полупроводниковых пластин.

Из датчика выходит разъем, содержащий 3 клеммы:

  1. Первый выход соединяется с «массой».
  2. Второй предназначен для подключения напряжения 6 В.
  3. Третий подает преобразованный импульсный сигнал в коммутатор.

В большинстве случаев датчик располагают на трамблере. Он определяет момент подачи искры и используется вместо контактов. Существует цифровая модификация датчика, которая бывает биполярная и униполярная. Первый тип срабатывает при смене полярности, а второй при появлении поля.

Признаки неисправности датчика Холла

Неисправности датчика Холла могут иметь различные признаки, на основании которых даже опытному мастеру не всегда удается сразу выявить поломку. Наиболее типичные симптомы поломки датчика следующие:

  1. Двигатель плохо запускается или не запускается вообще.
  2. При езде автомобиля на высоких оборотах, происходят подергивания из-за работы двигателя.
  3. Работа двигателя на холостом ходу характерна рывками и перебоями.
  4. Двигатель глохнет при движении.

Проверка

Исправность датчика Холла можно проверить следующими способами:

  1. Установкой заведомо исправного датчика на место проверяемого. Если при запуске двигателя проблемы исчезли, значит «родной» датчик неисправен, и нуждается в ремонте или замене.
  2. Замер тестером выходного напряжения датчика. Исправное устройство покажет напряжения, находящиеся в пределах от 0,4 до 11 В.
  3. Созданием имитации датчика снятием с трамблера трехштекерной колодки, соединением проводами 3 и 6 выхода коммутатора и включением зажигания. Появившаяся искра свидетельствует о поломке датчика.

Ремонт датчика Холла

Конструкция датчика Холла достаточно проста, и прибор редко выходит из строя. Но при его поломке автомобиль становится обездвиженным, и деталь требует срочной замены. Поскольку датчик достаточно дорогой, особенно для иномарок, имеет смысл попытаться самостоятельно его отремонтировать. Для примера можно взять прибор автомобиля Фольксваген, который устанавливают на различные модели машин данного автопроизводителя.

Самая ненадежная часть датчика – логический элемент S441А, представляющий собой чувствительную часть прибора, которая и выходит из строя. Целью ремонта является ее замена. Сама процедура состоит из следующих этапов:

  1. Покупка вышедшего из строя элемента или его аналога.

2. Проверка детали на работоспособность. С этой целью последовательно соединяют светодиод и резистор (1 или 2 кОм) и крепят к контактам «+» и «выход». Величина тока должна варьироваться от 3 до 30 В, а исправность элемента проверяется магнитом: при его воздействии срабатывает светодиод.

3. Дрелью и сверлом по металлу в центре датчика Холла проделывают отверстие, ножом «заподлицо» обрезают провода, надфилем прокладывают канавки от проделанного отверстия до выходов удаленных проводов.

4. Размещение активного элемента в проделанном окошке и проверка его на работоспособность. Так, при подключенных контактах и прохождении шторки через прорези, светодиод должен загораться, и при закрытии магнитного потока – гаснуть.

5. Если схема отказывается работать, элемент переворачивают и снова проводят проверку (полярность расположения имеет значение).

6. Если проверка прошла успешно, производят разводку выводов элемента в канавках корпуса. В самом окошке подпаивают провода, которые идут к соединительному разъему старого датчика. Обращают внимание на правильную последовательность проводов и их совпадение с маркировкой разъема трамблера («+», «0», «-»).

7. Завершив пайку, визуально и тестером проверяют отсутствие коротких замыканий в датчике. При успешной проверке заделывают технологическое отверстие термостойким клеем.

8. Датчик ставят на место и проверяют схему на предмет отсутствия коротких замыканий: никакой из проводов не должен звониться на корпус.

Аналогично восстанавливаются датчики многих автомобилей. Кроме Фольксваген, ремонту поддаются приборы на Daewoo, AUDI, Mitsubishi, и т. д., так как их принцип действия во всех случаях один и тот же.

Замена датчика Холла

Замена датчика Холла – операция достаточно простая, которую может самостоятельно выполнить даже начинающий автолюбитель. Все действия осуществляются в следующем порядке:

  1. Демонтаж трамблера.
  2. Снять крышку трамблера и совместить метки газораспределительного механизма с меткой коленчатого вала.
  3. Зафиксировать положение трамблера, после чего при помощи гаечного ключа открутить крепеж.
  4. Извлечь стопоры и фиксаторы.
  5. Извлечь вал из трамблера.
  6. Отсоединить на датчике клеммы и открутить его.
  7. Осторожно вытащить неисправный прибор через щель, образовавшуюся при оттягивании регулятора.
  8. Установка нового датчика Холла осуществляется в обратной последовательности.

Монолитные ИС магнитного датчика Холла, использующие компенсацию динамического квадратурного смещения

Альберто Билотти, старший член Life, IEEE, Gerardo Monreal и Рави Виг

Скачать PDF, версия

Abstract - Напряжение смещения, его температурный дрейф и производственный разброс, которые обычно ухудшают стабильность нулевого уровня и воспроизводимость интегральных схем магнитного датчика Холла, можно уменьшить с помощью одной пластины Холла и средств переключения для периодической перестановки пары контактов питания и выхода.В настоящей работе описывается 5-вольтовый монолитный линейный датчик Холла на основе прерывателя с полной шкалой ± 0,1 Тл, в которой этот метод динамической компенсации смещения пластины использовался вместе с экономичным формирователем сигнала. Устройство было интегрировано с использованием стандартного процесса BiCMOS толщиной 2 мкм, и конечный чип размером 1,5 × 1,5 мм показывает после упаковки в пластиковый корпус с 3 выводами остаточное смещение с производственным разбросом и температурный дрейф в пять раз. в десять раз меньше, чем в применяемых в настоящее время подходах квадратурной компенсации постоянного тока с несколькими пластинами.Устройство не требует внешних компонентов и обеспечивает выход без остатков HF.

Ключевые слова — Аналоговые интегральные схемы BiCMOS, прерыватели, устройства / эффекты Холла, микросенсоры, монолитные интегральные схемы.

В ИС магнитных датчиков

MONOLITHIC обычно используются кремниевые элементы Холла, которые просто интегрируются с усилителем или схемами формирования сигнала, необходимыми для усиления или обработки генерируемых относительно низких напряжений.Эффект Холла, его характеристики, приложения и т. Д. Широко освещены в литературе [1] - [3]. Прекрасный обзор со множеством ссылок можно найти в работе Балтеса и Поповича.

В простейшем элементе Холла используется квадратная пластина, сделанная, например, из кармана Epi по биполярной технологии или технологии BiCMOS с двумя парами ортогонально ориентированных контактов, как показано на рисунке 1. Когда напряжение питания В с подается на одну пару контактов, например a , c , плотность магнитного потока B , перпендикулярная пластине, генерирует напряжение V H на другая пара b, d , такая что

В В ≈ S В × Ш × В с (1)

, где S v - чувствительность элемента Холла на единицу напряжения питания.Чувствительность определяется как V H ⁄B × V s [T -1 ], где T (тесла; 1 T = 1 × 10 4 гаусс) - метр-килограмм-секунда (мкс ) единица измерения плотности магнитного потока (индукции) является приблизительно постоянным параметром, зависящим только от подвижности слоя Si и геометрии пластины и контакта. Типичные значения S v находятся в диапазоне от 0,04 до 0,08 Тл -1 , что означает, что для типичного источника питания 5 В и минимальной плотности магнитного потока 1 мТл выходное напряжение составляет от 200 до 400 мкВ.

Рис. 1. Базовая плита Холла.

Во всех приложениях постоянного тока минимальная плотность магнитного потока, которую можно точно измерить такими пластинами, зависит от напряжения смещения В op , возникающего на выходных контактах пластины для B = 0. Пластина, от электрической точки поля зрения, покажет неизбежные дисбалансы из-за градиентов сопротивления, геометрической асимметрии [4], пьезорезистивных эффектов [5], [6] и т. д., генерирующих немалое напряжение смещения.Поскольку смещение пластины В, op относительно велико - оно может варьироваться от 0,5 до 5 мВ для источника питания 5 В и зависит от температуры, напряжения питания и напряжения - были предприняты усилия для отмены или минимизации его эффекты.

Подавление смещения не может быть выполнено с помощью таких методов переключения, которые используются в усилителях, поскольку нет доступного состояния, в котором В op можно было бы изолировать от В H , за исключением отключения магнитного поля, что, безусловно, является нежизнеспособное предложение.

Отмечая, что с точки зрения постоянного тока пластину Холла можно рассматривать как распределенный резистивный мост Уитстона, большинство существующих коммерческих ИС датчиков Холла компенсируют смещение за счет использования двух или более соответственно соединенных между собой пластин, в которых направление электрического тока повернуто на 90 ° с одной пластины на другую [7]. Если источник дисбаланса остается неизменным и фиксированным в твердом пространстве, смещения любой пары пластин будут одинаковыми, но противоположной полярности, что приведет к желаемой компенсации.С другой стороны, полезный сигнал многопластинчатого устройства остается таким же, как и у одиночной пластины.

В качестве альтернативы было предложено использование только одной пластины при генерации квадратурных состояний путем периодической перестановки контактов питания и выхода [8], [9]. Хотя для этого метода динамического подавления смещения требуется более сложный формирователь сигнала, следующий за переключаемой пластиной Холла, он имеет преимущество в уменьшении остаточного смещения и разбросе его производства по сравнению с ИС многопластинчатого датчика.В последнем случае отклонения нулевого уровня ухудшаются из-за несоответствия смещения пластин между физически разными пластинами, причем эти несоответствия в основном создаются внутренними напряжениями, зависящими от температуры пластиковой упаковки.

В этой работе описываются монолитные линейные датчики Холла на 5 В BiCMOS, использующие метод динамической компенсации смещения, где различные функции, необходимые для восстановления полезного сигнала и отмены смещения, выполняются экономичным преобразователем сигнала.

Технология BiCMOS была предпочтительнее для того, чтобы иметь простые усилители с высоким коэффициентом усиления без обратной связи с малым смещением, точными схемами программирования температуры, а также с возможностью недорогого источника тока с высокой выходной мощностью.

II. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНАЯ ПЛИТА

В простейшем методе динамического подавления смещения используется одна квадратная пластина с четырьмя контактами, где квадратурные состояния генерируются путем периодического подключения напряжения питания и входа стабилизатора питания к одной паре контактов или к другой, как показано на рис.2. Каждое состояние, которое мы теперь будем называть состоянием 0 ° или состоянием 90 ° , определяется дополнительными часами CLK 1 и CLK 1_bar, соответственно.

Рис. 2. (a) В методе динамической компенсации смещения ток, протекающий через пластину, периодически переключается с направления 0 ° на направление 90 ° и наоборот. (b) Тактовая частота, напряжение Холла и формы сигналов смещения пластины.

Предполагая B = 0 и идеальную модель моста Уитстона для пластины Холла, напряжения, появляющиеся на выходных контактах, представляют собой смещения пластины В op (0 °) и В op (90 °) которые равны по величине, но имеют противоположную полярность.Это можно очень просто проверить следующим образом. Предположим, что дисбаланс, например, из-за структуры напряжений, возникает так, что область между контактами a и b показывает удельное сопротивление меньше, чем остальная часть пластины (резистор, отмеченный пунктиром на рис. не меняется при смене состояний . Затем смещения, возникающие в каждом состоянии, имеют одинаковую величину, но противоположные полярности, поскольку такой же дисбаланс возникает в соседних ветвях эквивалентной мостовой сети (клемма Hi будет более положительной, чем клемма Lo в состоянии 0 °, но более отрицательной в состояние 90 °).

Для B ≠ 0, поскольку соединения питания и выхода вращаются на в одном направлении, V H сохраняет свою полярность неизменной, что делает V H неизменным. Эта характеристика V, H проистекает из противоположного свойства симметричной пластины Холла.

Таким образом, появляется простой способ отличить смещение от полезного сигнала и дальнейшего устранения смещения путем соответствующей обработки сигнала.Хотя на рис.2 В H является квазипостоянным, а В op - переменным прямоугольным сигналом, при желании можно поменять местами сигналы, поменяв местами выходные контакты a и c во время состояния 90 °. .

Поскольку идеальное гашение невозможно, на практике существует остаточное смещение пластины V op (r) , определяемое как

В op (r) = | V op (0 °) | - | V op (90 °) | (2)

, где предпочтительны абсолютные значения для подчеркивания смены полярности, происходящей во время дальнейшей обработки сигнала.В зависимости от процесса изготовления, геометрии пластины Холла и кристаллографической ориентации, а также остаточных напряжений пластины и корпуса, В op (r) может находиться в диапазоне от 50 до 500 мкВ для источника питания 5 В.

Данные измерения постоянного тока квадратурного подавления на одной пластине, либо в пластине Epi [9], либо в «пластине» канала MOS [10], показали заметное улучшение по сравнению с традиционным подходом с несколькими пластинами. Для уменьшения В, op (r) эти измерения проводились в пластинах с использованием четырех пар контактов, распределенных по периферии круглой пластины, как в «вращающейся» ячейке Холла [9].В этом случае мультиплексное добавление всех возможных смещений для улучшения отмены потребует восьми состояний переключения на цикл.

Для упрощения целей и уменьшения площади кристалла для нашей монолитной ИС датчика был выбран простейший подход - пластина Epi с двумя парами контактов и двумя фазами на цикл, как показано на рис.

Максимально допустимая частота переключения пластины зависит от времени установления напряжения пластины после каждого коммутационного перехода. Обратите внимание, что, например, после перехода из состояния 0 ° в состояние 90 ° напряжение В, , , на контакте и на рис.2 должен уменьшиться с В с до В с ⁄ 2 и В c должен увеличиться с нуля до В с ⁄ 2 (при напряжениях при d и b должны распасться на землю и увеличиться до V s соответственно). Это требует перераспределения зарядов, хранящихся в обратносмещенном переходе Epi-Sub, и, следовательно, определенного времени для стабилизации напряжений до конечного значения В с ⁄ 2, после чего выходное напряжение Холла будет действительным и готов к обработке, как показано на рис.3.

Рис. 3. От 0 ° до состояния 90 ° Переходный процесс коммутации пластины Холла, где В a и В c - это напряжения на контактах a и c на рисунке 2 .

Измерения переключения пластины Холла, построенной на квадратном слое Epi, который составлял 2 Ом-см, толщину 5,5 мкм, с сопротивлением 3 кОм между контактами, обращенными по диагонали, показали, что напряжение Холла будет действительным только после ≈600 нс. прошло с коммутационного перехода пластины.Принимая во внимание допуски компонентов и тот факт, что в каждую фазу должны быть включены дополнительные импульсы выборки, была найдена максимальная частота переключения пластины 200 кГц. Пока частота переключения остается ниже этого предела, частота переключения не является критичной для работы системы, что упрощает реализацию схемы синхронизации.

Даже если будет остаточное напряжение из-за чрезмерного времени установления, это напряжение останется неизменным в обоих состояниях, как и истинное смещение, и, следовательно, будет аннулировано.В дальнейшем это не использовалось, поскольку требует очень точного и более дорогостоящего генератора CLK .

На рис. 4 показано фактическое расположение переключаемых пластин, используемых в монолитной ИС датчика, где четыре однополюсных двухпозиционных переключателя (SPDT), необходимые для перестановки контактов, были реализованы на МОП-транзисторах. Соединения пластинчатых контактов соответствуют базовой схеме, показанной на рис. 2, за исключением того, что выходные клеммы меняются местами в состоянии 90 °. При таком расположении при каждом изменении состояния В H меняет полярность, а В op остается квазипостоянным, таким образом, что В oA , смещение усилителя по входу постоянного тока A1, станет неотличимым от V op , а смещения пластины Холла и входного усилителя будут одновременно обрабатываться и отменяться формирователем сигнала.

Рис. 4. Переключаемая пластина Холла. Когда сигнал CLK1 высокий, ток протекает между a и c (состояние 0 °), а когда CLK_bar высокий, ток протекает между b и d (Состояние 90 °).

Таким образом, смещение A1 отменяется бесплатно , что позволяет избежать использования дополнительного оборудования, необходимого для выполнения той же функции другими методами, такими как автоматическое обнуление, преобразование сигнала (SC) и т. Д.

Входное напряжение идеального усилителя A1 становится

В i (0 °) = В H + | V op (0 °) | + | В oA | в состоянии 0 ° (3a)

V i (90 °) = - V H + | V op (90 °) | + | В oA | в состоянии 90 °. (3b)

Во избежание ухудшения В op (r) из-за возможного несоответствия между напряжениями питания, эффективно прикладываемыми к пластине во время каждой фазы, транзисторы с M1 по M4 были правильно подобраны, чтобы поддерживать их падение напряжения ниже 100 мВ.

Принимая во внимание, что полное смещение В op + В oA должно быть усилено без искажений на A1, соображения динамического диапазона требуют минимизировать В oA , поэтому рекомендуется использовать малое смещение дифференциальный биполярный входной каскад. В этом случае базовые входные токи I b , протекающие через MOS-переключатели с M5 по M8, могут генерировать остаточное смещение V или (r) в дополнение к смещению, заданному уравнением 2.Предполагая Δ I b «I b , прямой расчет дает

V oI (r) = Δ R ch × I b (4)

где

Δ R ch = R ch (M5) + R ch (M8) - [ R ch (M6) + R ch (M7) ]. (5)

Поскольку в A1 используется обычная схема подавления базового тока, В, или (r) меньше 2 мкВ, поэтому им можно полностью пренебречь по сравнению с В, op (r) .

На фиг. 5 представлена ​​упрощенная блок-схема полного линейного устройства Холла, где ранее описанная пластина переключаемого Холла представлена ​​блоком SWP. Обратите внимание, что для смещения нуля и B = 0 выходной усилитель A2 имеет выходное напряжение покоя, В Qoi , определяющее нулевой уровень датчика, при В с ⁄ 2. Формирователь сигнала работает как квази-прерывистый усилитель, в котором первая пара перекрестно связанных переключателей встроена в переключаемую пластину Холла, а вторая пара переключателей плюс обычный фильтр нижних частот (LP) заменены на выборку и удержание (S / H ) и добавление функций, как описано ниже.

Рис. 5. Структурная схема устройства Холла.

Дифференциально-дифференциальный усилитель A1 усиливает G 1 раз сигнал В и , состоящий из квазипостоянного напряжения смещения плюс переменный полезный сигнал Холла, генерируемый переключаемой пластиной Холла. В обычных усилителях-прерывателях полезный сигнал восстанавливается и смещение отменяется дополнительными переключателями после усилителя, которые снова инвертируют полярность составного сигнала, а также дополнительной фильтрацией LP.

В этом приложении, как и при низких уровнях плотности магнитного потока, коэффициент В op В H может достигать высоких значений, требуется дорогостоящий многополюсный фильтр LP для уменьшения остаточной пульсации переменного тока. Например, для обеспечения максимальной размах колебаний 20% в наихудшем случае В op = 10 мВ и В H = 0,25 мВ, основная составляющая квадратного смещения напряжение должно быть ослаблено на 52 дБ.При работе на тактовой частоте 150 кГц с полосой пропускания 34 кГц требуется четырехполюсный фильтр LP. Кроме того, полезный сигнал может быть искажен составляющими постоянного тока, генерируемыми большими импульсами, возникающими при каждом переключении пластины, которые могут проходить через фильтр LP.

Проблему удалось обойти, используя на выходах A1 две S / H-цепи S1 и S2, которые синхронизируются узкими импульсами CLK2 (0 °) и CLK2 (90 °) соответственно. Это происходило во время состояний 0 ° и 90 °, после того как истекла необходимая задержка для отключения переходных процессов коммутации пластины [11].

Предполагая идеальную функцию S / H, напряжения смещения на выходах S / H являются сигналами постоянного тока, и больше нет необходимости в дальнейшей фильтрации пульсаций переменного тока с высоким смещением, что ослабляет требования к LP-фильтрации на выходе. Кроме того, синхронная выборка сигнала с помощью дискретизаторов, когда сигнал не содержит паразитных импульсов, повышает точность процесса восстановления сигнала, особенно на низких уровнях.

Что касается выходного шума, то он в основном связан с тепловым шумом сопротивления пластины Холла.По сравнению с обычным прерывателем, функция S / H в настоящем подходе дает более высокую спектральную плотность мощности шума на низких частотах из-за более высокого «возврата» компонентов ВЧ-шума в основную полосу частот.

Вспоминая уравнения 3a и 3b, предполагая идеальные функции S / H и отмечая, что входы S / H являются дополнительными выходами A1, выходы S / H В A и В B , пренебрегая общим режимом (CM) сигналы, напряжение постоянного тока по

V A = ½ G 1 [ V H + | V op (0 °) | + | В oA | ] (6)

V B = ½ G 1 [ V H - | V op (90 °) | - | В oA | ].(7)

Суммирование этих двух напряжений постоянного тока посредством инвертирующего двухвходового суммирующего операционного усилителя A2 с усилением G 2 = - R 2 R 1 , а затем вставка выходного напряжения покоя В Qo , дает без учета вкладов смещения A2, выход

В выход = В Qoi + G 2 ( V A + V B )

= V Qoi + ½ G 1 × G 2 × V op (r) + G 1 × G 2 × V H (8a)

или

В выход = В Qoi + G 1 × G 2 × V H (8b)

, где В Qoi = В ref = В с ⁄ 2 - идеальное выходное напряжение покоя для В op (r) = 0 и В Qo фактическое выходное напряжение покоя.Обратите внимание, что усиление ½ G 1 × G 2 нежелательного остаточного смещения вдвое меньше, чем полезного сигнала.

Помимо В, op (r) , есть другие компоненты, которые остаются неотмененными и которые смещают В Qo от идеального значения, например, смещения из-за усилителя обратной связи, резисторных цепей и S / H несовпадения и т. Д. Поскольку полное смещение может быть обнулено при одной температуре с помощью любого метода обрезки пластины, дрейф смещения с температурой и его производственный разброс , особенно из-за напряжений, вызванных корпусом, остаются наиболее критическими проблемами IC датчика.

Для уменьшения влияния дефектов S / H, таких как проникновение заряда, спад, нелинейность и т. Д., Конечная монолитная ИС датчика использует полностью дифференциальную конфигурацию S / H, состоящую из четырех S / H-контуров с S1 по S4 и суммирующего разностного выхода обратной связи усилитель, как показано пунктирными линиями на рис.5. Таким образом, сигнал обрабатывается по-разному по всей системе.

  • Усилитель A1 - это усилитель без обратной связи с биполярным входным дифференциальным каскадом, использующим дифференциальные резистивные нагрузки, как показано на рис.6. Выходное напряжение покоя стабилизируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, состоящей из Q5, Q6, M5, M6 и M7. По сравнению с усилителем с обратной связью, подход с обратной связью не требует конденсаторов устойчивости, что позволяет избежать ухудшения времени установления из-за ограничений скорости нарастания.

    Рис. 6. Первый усилитель A1.

    Были приняты меры, чтобы избежать нежелательных эффектов насыщения, увеличивающих время установления усилителя по сравнению с ранее обсужденным временем установления пластины, что снижает максимально допустимую частоту переключения.Для этого в усилитель была включена схема убийцы усиления, содержащая простой стробируемый проходной КМОП-транзистор, который замыкает базы Q7 и Q8 во время коммутационных переходов холловской пластины.

    Хотя максимальное усиление является желательной характеристикой для уменьшения влияния смещений после усилителя по сравнению с В op (r) , входной каскад был вырожден по эмиттеру для увеличения линейного входного диапазона. Линейность при максимальном размахе входного сигнала лучше 99.9%.

    Диоды использовались для дегенерации эмиттера для поддержания крутизны каскада пропорциональной I EE ⁄ V t , что позволяло простую линейную регулировку I EE . При использовании смещения тока эмиттера PTAT (пропорционального абсолютной температуре) крутизна ступени становится независимой от температуры, в то время как нагрузочные резисторы Epi, аналогичные пластине Epi, заставляют усиление усилителя изменяться в зависимости от температуры как (подвижность) –1 , устраняя Зависимость от подвижности чувствительности по Холлу и уменьшение вариаций чувствительности ИС датчика в зависимости от температуры.

    В любом усилителе прерывателя, чем выше частота прерывания, тем меньше конденсаторы фильтра. Следовательно, для уменьшения площади кристалла была выбрана частота прерывания 170 кГц, близкая к максимальной, допускаемой временами перехода пластинки Холла.

    Усилитель имеет типичное усиление 30 ×, частоту –3 дБ 4 МГц и время установления 0,01%, равное 400 нс. Поэтому сигнал прямоугольной волны смещения усиливается с незначительными частотными искажениями.

  • Функция S / H выполняется на уровнях сигнала в G 1 в раз выше, чем уровень входного сигнала, что делает нежелательные эффекты несовершенных сигналов S / H менее заметными, эти недостатки дополнительно компенсируются ранее упомянутой схемой дифференциала S / H .

    В целях снижения затрат, S / H-элементы были реализованы как схемы с разомкнутым контуром, заземленный удерживающий конденсатор считывался биполярным транзистором Q3 с боковым PNP с высоким коэффициентом бета (LPNP), как показано на рис. 7. Транзисторы Q1 , Q2 и Q4 помогают уменьшить базовый ток Q3, уменьшая, следовательно, спад.

    Рис. 7. Схема S / H.

  • Выходной усилитель с прямой связью с обратной связью представляет собой довольно обычный операционный усилитель. Он имеет типичное усиление в 6 раз и способен выдавать в нагрузку максимум 2 мА.Конденсатор внутренней обратной связи емкостью 20 пФ стабилизирует контур и ограничивает полосу пропускания до ≈30 кГц. Такое узкополосное преобразование после дискретизации снижает типичную пульсацию выходной ступеньки на высоких рабочих частотах и ​​выходной белый шум.

IV. МОНОЛИТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Полномасштабное линейное устройство Холла

A ± 0,1 Тл, использующее динамическую компенсацию смещения и описанные ранее базовые схемы, было реализовано в монолитной ИС с использованием процесса BiCMOS 2 мкм. Напряжение питания составляет 5 В ± 10%, и внутренний регулятор напряжения не используется, поскольку во многих приложениях ИС линейных датчиков, особенно в автомобильной среде, чувствительность предпочтительно должна быть пропорциональна напряжению питания.Эта ратиометрическая функция позволяет каскадировать выход ИС датчика напрямую на аналого-цифровой преобразователь, питаемый от того же источника. Устройство не имеет внешних компонентов, упаковано в пластиковый корпус с 3 контактами и работает в диапазоне температур от –40 ° C до 150 ° C.

Чтобы уменьшить производственный разброс магнитной чувствительности, коэффициент усиления G 1 корректируется путем настройки I EE (рис. 6) с 4-битной двоично-взвешенной цепью плавких вставок. Точно так же полное остаточное смещение цепи, влияющее на выходное напряжение покоя, корректируется другой цепью плавких вставок.Обе регулировки выполняются на уровне пластины при одной единственной эталонной температуре.

Чип размером 1,5 × 1,5 мм показан на рис. 8. Пластина Холла Эпи размером 160 × 160 мкм расположена в геометрическом центре чипа. Три тактовых сигнала CLK1 , CLK2 (0 °) и CLK2 (90 °) выводятся из задающего генератора и генерируются на кристалле.

Рис. 8. Микрофотография кристалла ИС датчика Холла. Размер матрицы 1,5 × 1,5 мм.

Поскольку аналоговые сигналы низкого уровня и цифровые сигналы 5 В используют один и тот же чип, были приняты меры предосторожности при компоновке для минимизации прохождения цифрового сигнала в чувствительные области, что позволило минимизировать любой остаточный выходной цифровой шум.

В Таблице I приведены измеренные типичные характеристики окончательно упакованного устройства Холла при T A = 25 ° C.

ТАБЛИЦА I


В питание 5 В
I питание 7 мА
I выход (макс.) 2 мА
Чувствительность 25 В / Т
Полная шкала ± 100 мТл
Выходное напряжение покоя 2.5 В
Эквивалентное магнитное смещение 0,5 мТ
Линейность 99,9%
Выходной шум * 1 мВ среднекв.
Пропускная способность 30 кГц

* V питания вывод, развязанный с конденсатором 0,1 мкФ.

На рис. 9 показана измеренная передаточная функция устройства Холла V out = ƒ (B) .Линейность, измеренная как аппроксимация наилучшего соответствия идеальной прямой, составляет 99,9%.

Рис. 9. Измеренная передаточная функция В на выходе = ƒ (B) при 25 ° C.

Рис. 10 и 11 показаны характеристики V Qo и общая чувствительность S в зависимости от температуры во всем диапазоне температур окружающей среды от –40 ° C до 150 ° C.

Рис. 10. Типичное изменение выходного напряжения покоя в зависимости от температуры.

Рис. 11. Типичное изменение чувствительности в зависимости от температуры.

Общее остаточное смещение на выходе может быть получено путем измерения разницы между В Qo и В ref (см. Рис. 5) на уровне пластины. Измерения при 25 ° C показывают отклонения от 5 до 20 мВ, то есть от 0,2 до 0,8 мТл. Значение В Qo после обрезки пластины 2,5 В при 25 ° C остается практически неизменным после упаковки. Отклонение В, Qo при других температурах от эталонного значения при 25 ° C, показанное на рис.10 представляет температурный дрейф напряжения смещения. Типичный полный дрейф для всего диапазона температур составляет ≈7 мВ, что эквивалентно магнитному полю ≈0,3 мТл. Предварительные производственные данные показывают разброс 3σ в выходном напряжении покоя всего ± 10 мВ. При использовании многодисковой статических смещений методы отмены, эти отклонения, вызванные, главным образом, пакет-индуцированных напряжениями, могут быть значительно больше, ухудшая стабильность опорного датчика ИК нулевой.

На рис. 12 показано изменение чувствительности в зависимости от напряжения питания.

Рис. 12. Типичное изменение чувствительности в зависимости от напряжения питания.

На рис. 13 показан выходной сигнал устройства Холла для B = 0, фотография осциллографа сделана с временной разверткой, синхронизированной с тактовой частотой. Он показывает, что из-за действия S / H-фильтрации на кристалле частотный остаток CLK незначителен, а основные ВЧ-компоненты, оставшиеся на выходе, являются только теми, которые возникают из-за случайного шума, создаваемого сопротивлением пластины Холла. Следовательно, внешний фильтр LP не требуется.При желании выходной шум может быть дополнительно снижен за счет дополнительной внешней LP-фильтрации на выходе, одновременно уменьшая полосу пропускания системы.

Рис. 13. Выходной шум системы, измеренный с помощью разделительного конденсатора 0,1 мкФ на выводе питания В . Вертикальная чувствительность 2 мВ ⁄ дел. Чувствительность по горизонтали 1 мкс / дел. Развертка синхронизирована с частотой CLK.

Наконец, на рис. 14 показано выходное напряжение ИС датчика для синусоидальной плотности магнитного потока.

Рис. 14. Форма выходного сигнала для синусоидальной плотности магнитного потока 400 Гц. Вертикальная чувствительность 50 мВ ⁄ дел. Чувствительность по горизонтали 0,5 мс / дел. Амплитуда плотности магнитного потока: 8 мТл.

Описанная ИС монолитного линейного датчика Холла ± 0,1 Тл, использующая динамическое переключение с двумя парами контактов и двумя состояниями переключения, представляется привлекательным и экономичным вариантом для уменьшения дрейфа смещения ИС датчика при изменении температуры и воспроизводимости смещения. Поскольку смещение само по себе просто обрезается на уровне подложки на одной эталонной температуры, смещение дрейфа с температурой и его воспроизводимости особенно в пластиковых упакованных устройств становится самым важным вопросом, влияющим на стабильность датчика ИК нулевой.В этом отношении настоящее устройство после пластиковой упаковки показывает стабильность на нулевом уровне, которая очень выгодно отличается от обычно используемых многопластинчатых подходов постоянного тока.

Относительно небольшой размер кристалла доказывает, что этот метод может быть рентабельным, особенно когда восстановление полезного сигнала и подавление смещения выполняются схемами S / H, заменяющими LP-фильтр с большой площадью основания обычного прерывателя, используемого в других случаях. Схемы S / H также помогают игнорировать большие коммутационные переходные процессы, возникающие во время переключения пластин, обеспечивая точную и плавную линейную передаточную функцию на очень низких уровнях.

Хотя цифровые и аналоговые сигналы низкого уровня используют один и тот же чип, паразитный шум CLK, возникающий на выходе, почти несущественен по сравнению со случайным шумом из-за сопротивления пластины Холла.

Как предполагается в литературе, большее количество контактных пар пластин и фаз переключения за цикл, по-видимому, улучшает устранение смещения пластин Холла. Конечно, этот вариант может быть интересной задачей, требующей более совершенной схемы преобразования сигнала, работающей на более высоких частотах и ​​имеющей достаточно малое смещение, чтобы не поставить под угрозу преимущества, полученные от более сложной коммутации пластин.

Хотя настоящая работа касается ИС линейных датчиков Холла, те же методы могут быть использованы для реализации обычно используемых ИС цифровых датчиков с уровнями переключения «срабатывание» и «отпускание». В этом случае улучшения нулевых отклонений уровня, достигнутые в существующих ИС линейных датчиков, приведут к лучшей воспроизводимости и температурной стабильности порогов переключения.

Авторы выражают признательность за полезные обсуждения с Дж. Хиггсом, К.Шеллер и Дж. Таун, а также обширная экспериментальная работа, выполненная А. Гиббсом, все с Allegro MicroSystems, LLC

[1] К. Л. Чиен, К. Р. Вестгейт, Эффект Холла и его приложения. New York, NY: Plenum, 1980.
[2] Х. П. Балтес и Р. С. Попович, «Интегрированные полупроводниковые датчики магнитного поля», Proc. IEEE , т. 74, стр. 1107-1132, август 1986 г.
[3] Г. С. Рандхава, «Монолитные интегральные устройства Холла в кремниевых схемах», Microelectron.J. , т. 12, вып. 6, pp. 24-29, 1981.
[4] Г. Бьорклунд, «Улучшенная конструкция пластин Холла для интегральных схем», IEEE Trans. Электронные устройства, т. ED-25, стр. 541-544, май 1978 г.
[5] Ю. Канда и М. Мигитака, "Влияние механического напряжения на напряжение смещения устройств Холла в Si IC", Phys. Статус Solidi (а) , т. 35, стр. K115-K118, 1976.
[6] ---------- , «Конструктивные соображения для устройств Холла в Si IC», Phys. Статус Solidi (а) , т.38, стр. K41-K44, 1976.
[7] Дж. Т. Мопин и М. Л. Геске, «Эффект Холла в кремниевых цепях», в Эффект Холла и его приложения, К. Л. Чиен и К. Р. Вестгейт, ред. New York, NY: Plenum, 1980.
[8] П. Даниил и Э. Коэн, "Низкопольная магнитометрия на эффекте Холла", J. Appl. Phys. , т. 53, нет. 11, стр. 8257-8259, ноябрь 1982 г.
[9] П. Дж. Мюнтер, «Пластина Холла с малым смещением спинового тока», Датчики и исполнительные механизмы, тт. A21-A23, стр. 743-746, 1990.
[10] Р. Готфрид-Готтфрид, «Ein CMOS Sensor Hall mit 8 Kontakten zur Anwendung des Principes der Stromrichtungsumkehr», Sensor 93 Kongressband V, pp. 203-210.
[11] Патент США 08 569 814.


Альберто Билотти (S'45-A'48-SM'65-LS'91) получил степень в области электротехники в Университете Ла-Платы, Аргентина, в 1948 году.

Он работал с Philips, Аргентина в течение семи лет, IBM, Франция, в течение пяти лет и Sprague Electric Co., США, на три года. Его основными видами деятельности были дизайн цветных телевизоров, усовершенствованные разработки в области памяти и офисных АТС, а также разработка аналоговых ИС, соответственно. С 1975 по 1985 год он отвечал за исследования и разработки в Fate Computer Co., Аргентина. В настоящее время он является консультантом в области аналого-цифровых ИС, интеллектуальных силовых ИС и магнитных датчиков.

Херардо Монреаль родился в Буэнос-Айресе, Аргентина, в 1968 году. Он получил степень в области электронной инженерии в Университете Буэнос-Айреса, Аргентина, в 1994 году.

Он начал работать над нейронными сетями в Университете Буэнос-Айреса. В 1992 году он присоединился к Electrónica Bilotti, где он работает инженером-проектировщиком IC. В настоящее время его работы касаются аналогово-цифровых ИС и ИС магнитных интеллектуальных датчиков.

Рави Виг родился в Мумбаи, Индия. Он получил B.S. (EE) от Университета Рутгерса, Нью-Брансуик, штат Нью-Джерси, 1982 г. (EE) Дартмутский колледж, Ганновер, штат Нью-Хэмпшир, 1984 г.

Он работал в Sprague Electric, а затем в Allegro MicroSystems Inc., Вустер, Массачусетс, с октября 1984 года в качестве инженера-проектировщика ИС, а затем в качестве менеджера по дизайну изделий на интегральных схемах с эффектом Холла. Его деятельность включала микросхемы высокотемпературных датчиков Холла, микросхемы мультиплексных датчиков и микросхемы датчиков самокалибровки. Он также работал менеджером по стратегическому маркетингу автомобильной продукции. В настоящее время он занимает должность вице-президента по развитию бизнеса в Allegro MicroSystems, LLC

.


Рукопись получена 26 июля 1996 г .; от 28 ноября 1996 г.Эта работа была поддержана компанией Allegro MicroSystems, LLC, Вустер, Массачусетс.

А. Билотти и Г. Монреаль работают в компании Electrónica Bilotti, Olivos 1636, Аргентина.

Р. Виг работает в компании Allegro MicroSystems, LLC, Вустер, Массачусетс, США.

Идентификатор издателя S 0018-9200 (97) 03841-9. 0018-9200 / 97 10,00 долл. США © 1997, IEEE


Описанные здесь продукты представляют собой логометрические ИС линейного датчика Холла A3515xUA и A3516xUA для работы в условиях высоких температур.

Эта статья была первоначально опубликована в IEEE Journal of Solid-State Circuits , Vol.32, No. 6, June 1997. Печатается с разрешения автора.

СТП97-10

.Смещение АЦП датчика тока

и калибровка датчика положения - MATLAB и Simulink

В этом разделе объясняется аналогово-цифровой контроллер (АЦП) и датчик положения. калибровка смещения.

Калибровка смещения АЦП датчика тока

В инверторе преобразование сигнала для датчика тока вводит смещение напряжение на входе АЦП для измерения как положительного, так и отрицательного тока. Это смещение значение отличается для каждого целевого оборудования, поскольку оно зависит от допусков компоненты в цепи считывания и преобразования сигнала.Рекомендуется вы измеряете текущее смещение АЦП датчика для целевого оборудования. Датчик тока Смещение АЦП представлено в отсчетах АЦП, которые соответствуют нулю ампера. текущий.

См. Пример Запуск трехфазных двигателей переменного тока в режиме разомкнутого контура и калибровка смещения АЦП вручную Измерьте значение смещения АЦП. В примерах Motor Control Blockset ™ обновите измеренное значение в Инвертор .CtSensAOffset и Инвертор .Переменные CtSensBOffset при инициализации модели сценарий. По умолчанию скрипт обновляет инвертор . CtSensAOffset и инвертор . переменные CtSensBOffset со значением по умолчанию значения.

Примеры в Motor Control Blockset вычисляют текущее смещение АЦП датчика при аппаратной инициализации подсистема. В сценарии инициализации модели при установке Инвертора .ADCOffsetCalibEnable = 1 , скрипт включает текущая калибровка смещения датчика в целевом оборудовании во время инициализации.В подсистема инициализации оборудования, каналы АЦП считывают входной текущий кратный раз и усредняет их. Регулятор тока использует это усредненное значение смещения АЦП. В сценарии инициализации модели при установке Инвертор .ADCOffsetCalibEnable = 0 , скрипт отключает текущая калибровка смещения датчика и использует значения из инициализации сценарий.

Примечание

Всегда измеряйте смещение АЦП датчика тока, когда двигатель не работает.Это Рекомендуется отключить электрические провода, подключенные к двигателю.

Калибровка смещения датчика положения для квадратурного энкодера и датчика Холла

Контроллеру требуется вычисление смещения датчика положения для определения точная обратная связь о положении ротора в реальном времени и реализация полевого Алгоритм управления (FOC) правильно. Рекомендуется использовать примеры для калибровка смещения для вычисления смещения положения перед запуском любого другого примера который использует ВОК.

Смещение датчика Холла - это угол между осью d ротора. и положение, определенное датчиком Холла. Вы можете использовать смещение для исправления и вычислить точное положение оси ротора d .

Смещение датчика квадратурного энкодера - это угол между d - Обнаружена ось ротора и положение индексного импульса энкодера квадратурным энкодером.

Блок управления двигателем

предлагает такие примеры, как калибровка смещения квадратурного энкодера для двигателя PMSM и калибровка смещения Холла для двигателя PMSM, чтобы получить точное положение ротора для реализации алгоритма управления.Смещение в примерах вычислений используется уникальный алгоритм наряду с управлением без обратной связи для вычисления смещения датчиков положения (датчик Холла или квадратурный энкодер). Открытый цикл управление (также известное как скалярное управление или управление вольт / Гц) - популярное управление двигателем. метод, который можно использовать для запуска любого двигателя переменного тока. Это простой метод, который не нужна обратная связь от мотора. Чтобы обеспечить постоянный магнитный поток статора, поддерживайте амплитуду напряжения питания пропорционально его частоте.Этот рисунок показывает обзор управления без обратной связи. Для получения дополнительной информации см. Управление по разомкнутому и замкнутому циклам. Детали.

Используя этот алгоритм, примеры калибровки смещения определяют положение смещение таким образом:

  • Проверьте, не находится ли двигатель в состоянии холостого хода.

  • Запустить и запустить двигатель в разомкнутом контуре на очень низкой скорости (например, 60 об / мин). На малых оборотах ротор d - ось близко соосна с вращающимся магнитным полем статора.

  • Измерьте обратную связь доступного датчика положения (Холла или квадратурный энкодер).

  • Сравните положение разомкнутого контура с положением обратной связи и убедитесь, что чередование фаз правильное. При необходимости исправьте двигатель чередование фаз.

  • Вычислить смещение положения датчика Холла, получив разницу между положением разомкнутого контура и положением обратной связи.

  • Запустите двигатель в разомкнутом контуре на несколько циклов и остановите двигатель. Обеспечить что индексный импульс энкодера обнаружен хотя бы один раз. Зафиксируйте ротор d - ось. Смещение положения квадратурного энкодера равно идентичен обратной связи по положению. Это выводит квадратурный энкодер положение механического смещения.

На этом рисунке показано сравнение положения разомкнутого контура из алгоритма управления вместе с фактическим положением мотора.На рисунке также показаны отзывы от датчик положения. Смещение позиции, которое представляет собой разницу между положение разомкнутого контура и положение обратной связи от датчика вычисляется алгоритм предусмотрен в моделях калибровки смещения.

  • Обновить измеренное смещение в pmsm. PositionOffset переменная в скрипте инициализации модели примеров.

  • Для оценки параметров обновите измеренное смещение Холла в зале Поле смещения модели mcb_param_est_host_read .

Шаги по вычислению смещений см. В следующих примерах:

Калибровка смещения квадратурного энкодера для двигателя PMSM

Калибровка смещения Холла для двигателя PMSM

Запустите трехфазные двигатели переменного тока в режиме управления разомкнутым контуром и откалибруйте смещение АЦП

.Переключатель на эффекте Холла

| Основные сведения о переключателе с фиксацией

Основы ИС с фиксатором на эффекте Холла

Скачать PDF версию

Существует четыре основных категории ИС на эффекте Холла, которые обеспечивают цифровой выход: униполярные переключатели, биполярные переключатели, многополюсные переключатели и защелки.Переключатели с защелкой описаны в этой инструкции по применению. Аналогичные примечания по применению униполярных переключателей, биполярных переключателей и омниполярных переключателей представлены на веб-сайте Allegro ™.

ИС датчика Холла с фиксацией, часто называемые «защелками», представляют собой переключатели Холла с цифровым выходом, которые фиксируют состояния выхода. Защелки похожи на биполярные переключатели, имеющие положительный B OP и отрицательный B RP , но обеспечивают жесткий контроль над переключением. Защелки требуют для работы как положительного, так и отрицательного магнитного поля.Магнит, создающий магнитное поле южной полярности (положительное) достаточной силы (плотность магнитного потока), заставит устройство переключиться во включенное состояние. Когда устройство включается, оно фиксирует состояние и остается включенным, даже если магнитное поле удалено, до тех пор, пока не появится магнитное поле северной полярности (отрицательное) достаточной силы. Когда отображается отрицательное поле, устройство выключено. Он фиксирует измененное состояние и остается выключенным, даже если магнитное поле удалено, пока снова не появится достаточное магнитное поле южной полярности (положительное).

Приложения для определения положения вращающегося вала показаны на рисунке 1. Несколько магнитов объединены в простую структуру, называемую «кольцевым магнитом», которая включает чередующиеся зоны противоположной магнитной полярности. Корпус ИС, расположенный рядом с каждым кольцевым магнитом, представляет собой защелку Холла. Когда вал вращается, магнитные зоны перемещаются мимо устройства Холла. Устройство подвергается воздействию ближайшего магнитного поля и включается, когда южное поле противоположно, и выключается, когда северное поле противоположно.Обратите внимание, что лицевая сторона устройства обращена к кольцевому магниту.

Рис. 1. Применение двух фиксированных устройств с кольцевыми магнитами. Кольцевые магниты имеют чередующиеся зоны полярности N (север) и S (юг), которые вращаются мимо устройств Холла, заставляя их включаться и выключаться.

Термины магнитной точки переключения

Следующие термины используются для определения точек перехода или точек переключения операции переключателя Холла:

Рисунок 2.Эффект Холла относится к измеряемому напряжению, присутствующему при воздействии на приложенный ток перпендикулярного магнитного поля.

  • B - символ плотности магнитного потока, свойства магнитного поля, используемого для определения точек переключения устройства Холла. Измеряется в гауссах (G) или теслах (T). Преобразование составляет 1 G = 0,1 мТл.

    B может иметь северную или южную полярность, поэтому полезно иметь в виду алгебраическое соглашение, согласно которому B указывается как отрицательное значение для магнитных полей северной полярности и как положительное значение для магнитных полей южной полярности.Это соглашение позволяет арифметически сравнивать значения северной и южной полярности, где относительная напряженность поля указывается абсолютным значением B, а знак указывает полярность поля. Например, поле - 100 Гс (север) и поле 100 Гс (юг) имеют эквивалентную напряженность, но противоположную полярность. Точно так же поле - 100 Гс сильнее, чем поле - 50 Гс.

  • B OP - Магнитная точка срабатывания; уровень усиливающегося магнитного поля, при котором включается прибор Холла.Результирующее состояние выхода устройства зависит от электронного устройства отдельного устройства.
  • B RP - Магнитная точка срабатывания; уровень ослабляющего магнитного поля, при котором выключается устройство Холла (или для некоторых типов устройств Холла, уровень усиливающегося отрицательного поля, заданный положительным B OP ). Результирующее состояние выхода устройства зависит от электронной конструкции отдельного устройства.
  • B HYS - Магнитный гистерезис точки переключения.Передаточная функция устройства Холла разработана с таким смещением между точками переключения, чтобы отфильтровать небольшие колебания магнитного поля, которые могут возникнуть в результате механической вибрации или электромагнитного шума в приложении. B HYS = | B OP - B RP |.

Обычная работа

Точки переключения ИС датчиков с фиксацией симметричны относительно уровня нейтрального поля, B = 0 G, как показано на рисунке 3. Точки переключения находятся при одинаковой напряженности поля, но с противоположной полярностью.Например, если точка срабатывания, B OP , составляет 85 G (положительное значение, указывающее на южную полярность), точка срабатывания, B RP , составляет -85 G (отрицательное значение, указывающее на северную полярность). Фиксация последнего состояния предотвращает переключение устройств в слабых полях.

Переключатель с фиксацией включается в сильном поле южной полярности, и результирующий выходной сигнал имеет низкий логический уровень (при напряжении насыщения выходного транзистора, V OUT (sat) , обычно <200 мВ).Переключатель с фиксацией выключается в сильном поле северной полярности, и результирующий выходной сигнал имеет высокий логический уровень (до полного напряжения питания, V CC ). Поскольку коммутируемое состояние зафиксировано, эти устройства не переключаются, пока магнитное поле находится в диапазоне гистерезиса точки переключения, между B OP и B RP . Поскольку точка 0 G должна быть пересечена, прежде чем произойдет переключение в любом направлении, диапазон гистерезиса относительно шире, чем для других типов переключателей Холла.

Рисунок 3. Выходные характеристики переключателя с фиксацией. Выход устройства переключается на низкий логический уровень при наличии сильного поля южной полярности и переключается на высокий логический уровень в сильном поле северной полярности. В слабом поле защелка не меняет состояние выхода.

Хотя устройство может включаться с плотностью магнитного потока на любом уровне, для объяснения рисунка 3 начните с крайнего левого угла, где магнитный поток (B на горизонтальной оси) меньше положительного значения, чем у B RP или B OP .Здесь устройство выключено, а выходное напряжение (V OUT , по вертикальной оси) высокое.

Следуя стрелкам вправо, магнитное поле становится все более положительным. Когда поле более положительное, чем B OP , устройство включается. Это приводит к изменению выходного напряжения на противоположное, низкое.

В то время как магнитное поле остается более положительным, чем у B RP , устройство остается включенным, а выходное состояние остается неизменным.Это верно, даже если B становится немного менее положительным, чем B OP , в пределах встроенной зоны гистерезиса переключения, B HYS .

Следуя стрелкам влево, магнитное поле становится менее положительным, а затем более отрицательным. Когда магнитное поле снова упадет ниже B RP , устройство выключится. Это заставляет вывод вернуться в исходное состояние.

Магниты

Можно использовать отдельные магниты для обеспечения двух противоположных магнитных полярностей, однако обычно более экономически выгодно использовать кольцевой или полосовой магнит.Кольцевые и ленточные магниты намагничиваются чередующимися полюсами с заданным интервалом. Кольцевой магнит представляет собой узел в форме тороида или диска (см. Рис. 1) с чередующимися полюсами, намагниченными в радиальном или осевом направлении. Полосовой магнит - это плоская полоса с чередующимися магнитными полюсами. Кольцевые магниты доступны из различных материалов, включая керамику, редкоземельные и гибкие материалы. В магнитных лентах почти всегда используются гибкие материалы, такие как связующее из нитрилового каучука, содержащее ориентированный феррит бария, или более энергоемкие редкоземельные материалы.

Кольцевые магниты обычно указываются как имеющие несколько полюсов, в то время как полосковые магниты обычно указываются в количестве полюсов на дюйм. Четырехполюсный кольцевой магнит содержит два северных и два южных чередующихся полюса (N-S-N-S), в то время как полосовой магнит 11 полюсов на дюйм имеет чередующиеся полюса, разнесенные на 0,0909 дюйма. центры. Производители магнитов предлагают различные варианты расположения полюсов.

Подтягивающий резистор

Подтягивающий резистор должен быть подключен между плюсом питания и выходным контактом (см. Рисунок 4).Стандартные значения подтягивающих резисторов составляют от 1 до 10 кОм. Минимальное подтягивающее сопротивление зависит от максимального выходного тока микросхемы датчика (тока стока) и фактического напряжения питания. 20 мА - это типичный максимальный выходной ток, и в этом случае минимальный подтягивающий ток будет составлять CC / 0,020 Вольт. В случаях, когда потребление тока является проблемой, подтягивающее сопротивление может составлять от 50 до 100. кОм. Внимание: при больших значениях подтягивания можно вызвать внешние токи утечки на землю, которые достаточно высоки, чтобы снизить выходное напряжение, даже когда устройство отключено от магнитного поля.Это не проблема устройства, а утечка, которая возникает в проводниках между подтягивающим резистором и выходным контактом ИС датчика. В крайнем случае, это может привести к падению выходного напряжения ИС датчика до уровня, достаточного для того, чтобы препятствовать правильной работе внешней логики.

Рисунок 4. Типовая схема применения.

Использование байпасных конденсаторов

Расположение байпасных конденсаторов показано на рисунке 4. В целом:

  • Для конструкций без стабилизации измельчителя - рекомендуется значение 0.Конденсатор 01 мкФ следует разместить на выводах и выводах заземления, а также между выводами питания и заземления.
  • Для схем со стабилизацией прерывателя - конденсатор 0,1 мкФ должен быть помещен между выводами питания и заземления, а конденсатор емкостью 0,01 мкФ рекомендуется между выводами и выводами заземления.

Состояние при включении питания

Защелка включается в допустимом состоянии только в том случае, если напряженность магнитного поля превышает B OP или B RP при подаче питания.Если напряженность магнитного поля находится в диапазоне гистерезиса, то есть между B OP и B RP , устройство может сначала принять либо включенное, либо выключенное состояние, а затем достичь правильного состояния при первом отклонении от точки переключения. Устройства могут быть спроектированы с логикой включения питания, которая отключает устройство до достижения точки переключения.

Время включения

Время включения в некоторой степени зависит от конструкции устройства. Микросхемы цифровых выходных датчиков, такие как фиксирующее устройство, достигают стабильности при первоначальном включении в следующие моменты времени.

Тип устройства Время включения
Нерубленые конструкции (например, семейство A1210) <4 мкс
Стабилизированный измельчителем (например, семейство A1220) <25 мкс

По сути, это означает, что до истечения этого времени после подачи питания выход устройства может быть не в правильном состоянии, но по истечении этого времени выход устройства гарантированно будет в правильном состоянии.

Рассеиваемая мощность

Общая рассеиваемая мощность складывается из двух факторов:

  • Мощность, потребляемая микросхемой датчика, без учета мощности, рассеиваемой на выходе. Это значение в V CC раз больше тока питания. V CC - напряжение питания устройства, а ток питания указан в паспорте. Например, при V CC = 12 В и токе питания = 9 мА. Рассеиваемая мощность = 12 × 0,009 или 108 мВт.
  • Мощность, потребляемая на выходном транзисторе.Это значение в В (вкл) (насыщение) в раз превышает выходной ток (установленный подтягивающим резистором). Если V (on) (sat) составляет 0,4 В (наихудший случай), а выходной ток составляет 20 мА (часто наихудший случай), рассеиваемая мощность составляет 0,4 × 0,02 = 8 мВт. Как видите, из-за очень низкого напряжения насыщения мощность, рассеиваемая на выходе, не вызывает большого беспокойства.

Полная рассеиваемая мощность для этого примера составляет 108 + 8 = 116 мВт. Отнесите это число к таблице снижения номинальных характеристик в техническом описании рассматриваемого блока и проверьте, нужно ли снизить максимально допустимую рабочую температуру.

Часто задаваемые вопросы

В: Как сориентировать магниты?

A: полюса магнита ориентированы на фирменную лицевую сторону устройства. На фирменном лице вы найдете идентификационную маркировку устройства, например частичный номер детали или код даты.

Q: Можно ли поднести магнит к тыльной стороне устройства?

A: Да, однако имейте это в виду: если полюса магнита остаются ориентированными в одном направлении, то ориентация магнитного поля через устройство остается неизменной по сравнению с подходом с передней стороны (например, если южный полюс был ближе к устройству при подходе с передней стороны, то северный полюс был бы ближе к устройству при подходе с обратной стороны).Тогда северный полюс будет генерировать положительное поле относительно элемента Холла, тогда как южный полюс будет генерировать отрицательное поле.

Q: Есть ли компромиссы при приближении к задней стороне устройства?

А: Да. Сигнал «чище» доступен при приближении с лицевой стороны упаковки, потому что элемент Холла расположен ближе к лицевой стороне (фирменная грань упаковки), чем к тыльной стороне. Например, для пакета "UA" чип с элементом Холла находится на 0,50 мм внутри фирменной поверхности упаковки, то есть примерно 1.02 мм от тыльной стороны. (Расстояние от фирменной грани до элемента Холла называется «глубиной активной зоны».)

В: Может ли очень большое поле повредить устройство на эффекте Холла?

A: Нет. Очень большое поле не повредит устройство Allegro на эффекте Холла, и такое поле не добавит дополнительного гистерезиса (кроме расчетного гистерезиса).

Q: Зачем мне устройство, стабилизированное чоппером?

A: ИС датчиков, стабилизированные прерывателем, обеспечивают большую чувствительность с более жестко контролируемыми точками переключения, чем конструкции без прерывания.Это также может позволить более высокие рабочие температуры. В большинстве новых конструкций устройств используется рубленый элемент Холла.

Предлагаемые устройства

Стандартные защелки Allegro перечислены в руководствах по выбору на веб-сайте компании в разделе «Защелки на эффекте Холла / биполярные переключатели».

Защелки с низким энергопотреблением перечислены в Переключатели / защелки Micropower.

Возможные приложения

  • Определение скорости
  • Энкодер
  • Считая оборотов
  • Расходомер
  • Бесщеточная коммутация двигателя
  • Коммутация электродвигателя люка / стеклоподъемника с защитой от защемления

Замечания по применению для связанных типов устройств

Ссылка: AN296067

.

InAs и GaAs датчики Холла

000 9706000 9GT-100009 Активная область
HGT-1010 HGT-1020 HGT-1050 HGT-2101 * HGT-3010 HGT-3030
Описание Поперечный общий Поперечный общего назначения; плоское крепление Низкое поле для магнитных цепей Поперечное исполнение общего назначения; высокая чувствительность Низкая стоимость; высокая чувствительность; поверхностный монтаж КИПиА поперечный; низкий температурный коэффициент; керамический корпус Инструментальный размер поперечный керамический корпус
Нет Нет Нет Нет Нет Да Да Да
1.Круг диаметром 02 мм (0,040 дюйма) Круг диаметром 0,76 мм (0,030 дюйма) 1,52 × 2,03 мм (0,06 × 0,08 дюйма) прямоугольник - 0,127 мм (0,005 дюйма) квадрат 1,02 мм (0,040 дюйма) ) диаметр окружности
Входное сопротивление (прибл.) 2 Ом 4 Ом (макс.) 450 Ом до 900 Ом 1 Ом 2 Ом
Выходное сопротивление (прибл.) 2 Ом 4 Ом (макс.) 550 Ом до 1350 Ом 600 Ом до 2000 Ом 1 Ом 2 Ом
Номинальный управляющий ток (l CN ) 100 мА 200 мА 1 мА 100 мА
Максимальный длительный ток (без теплоотвода, 25 ° C) 250 мА 200 мА 250 мА 300 мА 10 мА 300 мА
Магнитная чувствительность
(l c = номинальный управляющий ток)
7.От 5 мВ / кГ до 12,5 мВ / кГ 8 мВ при 100 Э (мин) от 11 мВ / кГ до 28 мВ / кГ от 0,55 мВ / кГ до 1,05 мВ / кГ от 6,0 мВ / кГ до 10,0 мВ / кг
Максимальная погрешность линейности
(чувствительность в зависимости от поля)
± 1,0% показания (от -10 до 10 кГс) ± 1,0% показания (от 0 до 10 кГ) - ± 1 % показания (от -10 до 10 кГ) ± 2% показания (от -20 до 20 кГ) ± 2% показания (от -10 до 10 кГ) ± 1% показания (от -30 до 30 кг) ± 1,5% показания (От -100 до 100 кг) ± 0.30% показания (от -10 до 10 кГс) ± 1,25% показания (от -30 до 30 кГ)
Напряжение смещения нулевого поля
(l c = номинальный управляющий ток)
± 100 мкВ (макс.) 150 мкВ (макс.) ± 2,8 мВ (макс.) ± 50 мкВ (макс.) ± 75 мкВ (макс.)
Диапазон рабочих температур от -40 ° C до +100 ° C от -65 ° C до +100 ° C от -40 ° C до +100 ° C от -20 ° C до +75 ° C от -40 ° C до +125 ° C -40 ° C до +100 ° C
Средний температурный коэффициент магнитной чувствительности -0.08% / ° C (макс.) -0,15% / ° C (макс.) -0,06% / ° C (макс.) -0,005% / ° C (макс.) -0,04% / ° C ( макс)
Средний температурный коэффициент смещения
(l c = номинальный управляющий ток)
± 1 мкВ / ° C (макс.) ± 3 мкВ / ° C (макс.) ± 1,2 мкВ / ° C (макс.) ± 6 мкВ / ° C (макс.) ± 0,4 мкВ / ° C (макс.) ± 0,3 мкВ / ° C
Средний температурный коэффициент сопротивления ± 0.18% / ° C (приблизительно) + 0,15% / ° C (приблизительно) ± 0,3% / ° C (приблизительно) ± 0,15% / ° C (приблизительно) ± 0,18% / ° C ( приблизительно)
Выводы Медь 34 AWG с поли-нейлоновой изоляцией; выводы луженые припоем Sn63Pb37 Медь 36 AWG с изоляцией из поли-нейлона; выводы луженые припоем Sn63Pb37 Медь 34 AWG с полинейлоновой изоляцией; выводы луженые припоем Sn63Pb37 Медь 34 AWG с тефлоновой изоляцией ® ; выводы луженые припоем Sn63Pb37 Медь 34 AWG с полинейлоновой изоляцией; выводы луженые припоем Sn63Pb37 NA Медь 34 AWG с поли-нейлоновой изоляцией; провода, луженые бессвинцовым припоем SAC305
Data Единичное значение чувствительности при l c = 100 мА Единичное значение чувствительности atcH = 100 Oe Единичное значение чувствительности при l c = 1 мА без калибровки Комнатная температура, 30 кг данные предоставлены
.Установка датчика Холла

для бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянным магнитом

Это очень запутанная тема.

Сегодня я потратил несколько часов на повторное обучение теории расположения датчиков Холла, а затем еще дольше пытался придумать четкий способ ее представления. Это было сочетание сбора информации с форумов и просмотра моих старых заметок (которые были основаны на опыте Шейна). Цель этого поста - собрать всю эту информацию на одной веб-странице и передать ее в максимально понятном формате.

Заявление об ограничении ответственности: я не инженер-электрик, поэтому некоторые из этих утверждений могут быть неточными. При этом я уверен на 90%, что это так.

Условные обозначения:

  • edeg: электрические степени
  • эрот: электрическое вращение. 1 эрот = 360 эдэг
  • mdeg: механические градусы
  • мрот: механическое вращение. 1 мрот = 360 мкг
  • пп: количество полюсов магнита пар. 1 pp = 2 магнита (1 север, 1 юг)
  • с: количество пазов (в статоре)
В этом посте будет рассказано, как установить датчики Холла на 3-фазные двигатели, управляемые контроллерами положения Холла 60 и 120 (контроллеры двигателей, которые предполагают, что датчики Холла будут размещены на расстоянии 60 и / или 120 эдэг).Хотя можно спроектировать контроллер мотора, ожидающий, что датчики Холла будут размещать другое количество эдэгов, я никогда не видел и не слышал об одном (просто нет обычных коммерчески доступных датчиков, которые допускают что-либо, кроме 60 и / или или размещение датчика Холла 120 эдэг). Я считаю, что причина этого в том, что это усложняет код и выполнение математических расчетов, хотя я могу ошибаться, поскольку я никогда не проектировал свой собственный контроллер двигателя. В этом посте я собираюсь описать только трехфазные двигатели, потому что они являются наиболее распространенным типом, хотя следующие уравнения можно распространить на любое количество фазных двигателей с небольшими изменениями.

Нам нужно выяснить, где разместить 3 датчика Холла. Начнем с математики:

Первое, что вам нужно найти, это количество mdeg на эрот. Другими словами, количество механических градусов, на которые вращается ротор, чтобы сделать одно полное электрическое вращение.

Уравнение 1: (360 мград / pp ) = n mdeg на erot = n mdeg на 360 edeg

Примечание: не путайте это с уравнением mrpm * pp = erpm, что полезно для определения электрических оборотов с учетом механических оборотов вашего двигателя.


Теперь предположим, что вы хотите использовать контроллер двигателя, для которого требуется установка датчика Холла 120 edeg . Вам нужно найти количество миллиграммов на 120 эдэг. Таким образом, вы просто разделите приведенное выше уравнение на 3.

Уравнение 2: (360 мград / 3 * п.п. ) = м мград на 120 эдэг.


Это значение, м , дает минимальное количество метров в градусах, на которое можно разнести каждый из датчиков эффекта Холла, и при этом добиться разноса в 120 градусов.

На этом этапе вам нужно выбрать, хотите ли вы установить датчики эффекта Холла на внутренней плате 1 2, за пределами двигателя (обычно на каком-то приспособлении / плате (прокрутите вниз 2/3 страницы), расположенной так что он может улавливать утечку магнитного потока из двигателя) или внутри пазов статора 1 2 3 (примечание: если вы устанавливаете их сбоку от катушек, как я, убедитесь, что вы расположили их как можно ближе к магнитам. по возможности) на катушках.Преимущество первых двух вариантов заключается в том, что плату можно вращать, чтобы замедлить или опередить синхронизацию двигателя (регулируемая синхронизация). Единственный способ настроить время третьего варианта - программно.

ПРИМЕЧАНИЕ: ОЧЕНЬ важно разместить датчики на эффекте Холла как можно точнее. Отклонение на несколько механических градусов может отпугнуть вас на многие десятки электрических градусов.

Если вы хотите установить датчики холла на какой-нибудь приспособление / плату (внутреннюю или внешнюю), то с математикой покончено! Приведенное выше значение, м , дает вам количество механических градусов, в которых вы должны разнести каждый датчик на эффекте Холла (для 3 датчиков на эффекте Холла это общая дуга 2 * м мград).Если м слишком мало для вашего вкуса, вы можете умножить его на любое целое значение, например 2, 3, 4 и т. Д., Чтобы получить другие интервалы, которые будут работать с контроллерами двигателей edeg 120. (Хотя датчики на эффекте Холла больше не будут разнесены точно на 120 градусов, они будут кратны 120 градусам друг от друга, что тоже будет работать).

Если вы хотите установить датчики Холла в пазы статора, вам нужно найти количество миллиграммов на слот:

Уравнение 3: (360 мград / с ) = x мград на слот

Сейчас вам нужно умножить м на из ур.2 целыми числами, пока не найдете целое число i , которое даст вам число, кратное x . м * i дает вам количество метров, на которое вы должны разнести датчики эффекта Холла, и:

Уравнение 4: (( м * i) / x ) = количество щелей между датчиками Холла.

Вероятно, есть несколько вариантов для i , особенно если количество пазов и полюсов в двигателе увеличивается. Пока удовлетворяются приведенные выше уравнения, контроллер мотора, который хочет, чтобы датчики Холла на 120 градусов были разнесены, будет работать.

_______________________________________________

Теперь для контроллеров двигателей, требующих размещения датчика Холла 60 edeg . Уравнение 1 по-прежнему применяется, но уравнение 2 теперь принимает вид:

Уравнение 2 ': (360 мград / 6 * pp ) = м мград на 60 эдэг.

Это значение, м , дает минимальное количество метров в градусах, на которое можно разнести каждый из датчиков эффекта Холла и при этом добиться разнесения в 60 градусов.Следуя логике из приведенного выше случая шага 120 эдэг, вы можете умножить м на любое целое число и при этом сохранить интервал 60 эдэг. Затем вы можете напрямую передать это количество mdeg на плату / приспособление для установки датчиков холла.

Или вы можете установить датчики Холла в пазы статора. Это идентично случаю с интервалом 120 градусов; Уравнения 3 и 4 в этом случае остаются неизменными.

Примечание. Интересно и логично, что вы получите все значения, кратные 120 edeg, в случае интервала 60 edeg (120 кратно 60).

*** Примечание 2: Будьте осторожны со схемой намотки. Схемы намотки могут влиять на то, какие интервалы между градусами работают, а какие нет. Иногда вам придется перевернуть датчик Холла (см. Пример 4 ниже). Для простоты вам следует разместить датчики на эффекте Холла в разумных местах (первый на зубах или между ними), несмотря на то, что часто это не имеет значения, если они расположены правильно (я говорю «часто», потому что если датчики вращаются вместе, вы можете регулировать синхронизацию двигателя, а значит, и его производительность и характеристики).***

__________________________________________________

Время для некоторых ПРИМЕРОВ!

Ex 1: Электродвигатели ELB с внутренними датчиками Холла, установленными на поворотной «доске холла» для 120 контроллеров edeg. Двигатель

ELB представляет собой бесщеточный двигатель с 18 гнездами, 20 полюсов и схемой обмотки AaABbBCcCAaABbBCcC. Сначала я хотел иметь датчики на доске холла, которые я мог бы вращать вокруг оси, чтобы легко регулировать время. Итак, я вычислил:

Уравнение 1: (360 мград / 10 п.п.) = 36 мград на эрот = n мград на 360 эдэг

Уравнение 2: (360 мград / 30) = 12 мград на 120 эдэг.

Я расположил датчики на эффекте Холла на расстоянии 12 градусов друг от друга, чтобы получить общую дугу в 24 градуса, что позволило получить красивую маленькую доску для холла. (Я протравил лазером градусные линии на вырезанных мною досках, что оказалось очень хорошо для выравнивания датчиков). Это сработало. К сожалению, небольшие доски холла были очень хрупкими, и мне действительно не хватило места для доски холла внутри двигателя (или снаружи), поэтому я решил приклеить датчики в пазы статора ... см. Следующий пример.

Ex 2: Двигатели ELB с внутренними датчиками Холла, вклеенными в пазы статора для контроллеров 120 edeg.

Время для дополнительных расчетов:

Уравнение 3: (360 мград / 18) = 20 мград на слот

Уравнение 4: (( м * i) / x ) = ((12 * 5) / 20) = 3 слота между датчиками холла.

Таким образом, датчики на эффекте Холла должны быть разнесены на 60 мград (600 эдэг), или по одному на каждые 3 слота. Именно это я и сделал, и это прекрасно работает. i = 10 также работает и размещает датчики Холла на расстоянии 120 мГрад или равномерно вокруг статора. Фактически, 120 мград работает для многих распространенных комбинаций паз / полюс ... так что вы могли бы просто пропустить всю эту математику и сделать это так.

Я не буду делать пример датчика положения в слоте с контроллером расстояния 60 градусов для ELB. Оказывается, что единственные интервалы между холлами mdeg, которые работают для 60 контроллеров edeg с 18-секундным, 20-полюсным двигателем, такие же, как 120 edeg интервалы, кратные mdeg. Другими словами, датчики Холла оказываются в том же месте, что и корпус с шагом 120 градусов. Но не верьте мне на слово, попробуйте математику!

Ex 3: Двигатели EHB с внутренними датчиками Холла, вклеенными в пазы статора для 120 контроллеров edeg.Двигатели

EHB будут 12-слотовыми, 14-полюсными бесщеточными двигателями со схемой обмотки AacCBbaACcbB.

Уравнение 1: (360 мград / 7 pp) = 51,4 мград на 360 эдэг

Уравнение 2: (360 мград / 7 * 3) = 17,14 мградус на 120 эдег.

Уравнение 3: (360 мград / 12) = 30 мград на слот

Уравнение 4: (( м * i) / x ) = ((17,14 * 7) / 30) = 4 слота между датчики холла.

Первое действующее кратное i - 7.Оказывается, что единственный способ разместить датчики в пазах статора при использовании контроллера двигателя, который ожидает расстояние между датчиками 120 edeg, - это разместить датчики 120 на mdeg друг от друга (равномерно распределенные вокруг двигателя).

Это не значит, что вы не могли установить датчики на каком-то приспособлении на 17,14 миллиграмма друг от друга ... вы можете. Но если вы хотите, чтобы статоры в пазах на этом типе двигателя, вы должны разнести их на 120 мград.

Красные точки обозначают слоты, в которые следует устанавливать датчики.

Ex 4: Двигатели EHB с внутренними датчиками Холла, вклеенными в пазы статора для 60 контроллеров edeg.

Давайте возьмем тот же двигатель, что и в примере 3, но теперь контроллер двигателя ожидает, что расстояние между датчиками на эффекте Холла составляет 60 градусов.

Уравнение 1: (360 мград / 7 пп) = 51,4 мград на 360 эдэг

Уравнение 2: (360 мград / 6 * 7) = 8,57 мградус на 60 эдэг.

Уравнение 3: (360 мград / 12) = 30 мград на слот

Уравнение 4: (( м * i) / x ) = ((8.57 * 7) / 30) = 2 слота между датчиками Холла.

Теперь датчики на эффекте Холла можно разместить ближе друг к другу. Однако есть загвоздка. Поскольку датчики Холла расположены следующим образом: A (датчик) ac (датчик) CB (датчик) baACcbB, второй датчик (C-фаза) необходимо перевернуть, потому что магнитное поле в этом слоте перевернуто, потому что этот слот намотан. другое направление по сравнению с гнездами первого и третьего датчиков. Вот почему нужно быть осторожным со схемами намотки.

Синяя точка указывает на прорезь, в которую следует перевернуть датчик Холла.

________________________________________________


Примечания по подключению контроллера к мотору. Вам придется потратить некоторое время на тестирование, чтобы увидеть, какой датчик холла соответствует какой фазе. И если у вас нет возможности изменить код в контроллере мотора, вам придется играть с комбинациями проводов, чтобы получить правильную.Очень помогает двухканальный осциллограф. Поскольку существует множество тем, посвященных бесконечным сферам, и это зависит от типа вашего двигателя, я не буду вдаваться в подробности. .

Применение и использование датчиков Холла, возможности датчиков Холла Hoeben Electronics


Более пристальный взгляд на ратиометрические двунаправленные аналоговые датчики Холла

На этой странице вы можете найти полезную информацию об использовании датчиков Холла, в частности корпуса и приложения см. на странице Приложения. Мы приветствуем любую дополнительную информацию и предложения для добавления на этот сайт. Не стесняйтесь задавать нам любые вопросы.


Датчики на эффекте Холла изготовлены из тонкого проводящего материала.Когда через датчик протекает ток, напряжение в направлении y появляется поперек текущего направления (x). Магнитное поле приложено перпендикулярно проводнику (направление z).

Рис. 1 Принцип действия датчика Холла

Выходной сигнал датчика Холла пропорционален плотности магнитного потока и току, протекающему через датчик.

  • Датчик эффекта Холла может измерять магнитные поля (B, обычно выражается в Тесла или Гаусс)
  • Датчик Холла также может измерять влияние ферромагнитных объектов на магнитные поля
  • Поскольку токи создают магнитные поля, Холла датчики эффекта могут использоваться для измерения электрических токов
  • И поскольку датчик умножает ток датчика на магнитное поле, его также можно использовать для измерения истинной среднеквадратичной мощности и косинуса PHI (например, в измерителе мощности)


Датчик Холла очень универсален и может использоваться во многих приложениях.Некоторые, но, конечно, не все, показаны здесь.

Датчик на эффекте Холла можно использовать для измерения расстояния между датчиком и постоянным магнитом или электромагнитом. Это позиционирование может быть выполнено очень точно. Когда второй датчик Холла (не показан на чертеже) используется на южном полюсе магнита, точные датчики Холла , которые идентичны (например, Hoeben Electronics HE144), температуры считывания и температурной зависимости магнита могут быть компенсируется. Повышение точности.

Горизонтальные перемещения магнита или датчика также могут быть измерены.

Углы вращения магнита тоже можно измерить. Конечно, магнит не обязательно должен быть круглым. Используя второй датчик, можно выполнить температурную компенсацию магнита и измерения.

С помощью повернутого магнита или датчика таким же образом можно измерять горизонтальные перемещения.

Таким способом можно измерить множество магнитов, которые вы можете найти в линейных двигателях.

Очень интересная возможность - это измерение положения внутри или на точном линейном двигателе магнитная матрица . Два датчика Холла выдают синус и косинус, сигнал SIN / COS , который можно использовать для измерения абсолютной точности с неожиданным положением. При использовании двух идентичных датчиков, таких как Hoeben Electronics HE144 и HE244, температурное поведение автоматически компенсируется, и позиционирование будет даже более точным.Чтобы получить высокое разрешение, датчик должен иметь низкий дрейф, низкий уровень шума, большой диапазон и очень хорошую линейность и чувствительность в сильных магнитных полях. Датчики Холла Hoeben Electronics удовлетворяют этим требованиям.

Установка датчика Холла и магнита в одном устройстве открывает новые возможности. Можно обнаружить немагнитные ферромагнитные объекты и измерить расстояния. Некоторые металлы обладают ферромагнитными свойствами и могут использоваться, в том числе некоторые версии из нержавеющей стали. Чтобы иметь возможность использовать сильные магниты в большом диапазоне и видеть очень небольшие изменения, датчики Холла также должны обладать хорошей чувствительностью к небольшим изменениям в сильном магнитном поле.Для этого очень хорошо подходят датчики Холла Hoeben Electronics. Даже самые сильные доступные магниты не будут насыщать датчик.

Таким же образом можно измерять горизонтальные перемещения. И многое другое.

Возможно измерение зубьев шестерен. Очень интересная возможность . использует второй датчик Холла для генерации синуса и косинуса в сигнале SIN / COS для измерения положения. Для этого очень хорошо подходят датчики Холла Hoeben Electronics.

Датчики Холла Hoeben Electronics также могут измерять ток. На чертеже показано измерение тока с помощью компенсационной катушки. Возможна также установка без компенсационной катушки.

Использование сетевого напряжения в качестве эталона для тока датчика позволяет измерять мощность. Истинное среднеквадратичное значение. С помощью дополнительной электроники можно также измерить косинус фи. В этом примере показана система без компенсационной катушки.

Ветряные мельницы и солнечные элементы часто создают небольшие ошибочные токи постоянного тока («Ввод постоянного тока») в линии.Значения находятся в миллиамперном диапазоне. Эти токи также можно измерить с помощью датчиков Холла Hoeben Electronics!

.

Смотрите также