Датчик Холла — назначение и принцип действия
На примере датчика Холла, применяемого в бесконтактной системе зажигания автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099.
Назначение датчика Холла
Датчик Холла предназначен для определения момента искрообразования в бесконтактной системе зажигания (БСЖ) автомобиля.
Принцип действия датчика Холла
Принцип действия датчика основан на эффекте Холла, когда магнитное поле проводника изменяется при прохождении в нем специального экрана с прорезями.
На практике это выглядит так: датчик Холла автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 установлен на опорной пластине трамблера и состоит из двух частей – магнита и элемента Холла с усилителем. На датчик Холла подается напряжение с коммутатора (вывод 5) через токовый красный провод. «Масса» так же с коммутатора – бело-черный провод с вывода 3. Магнит создает магнитное поле, элемент Холла принимает его, создает напряжение, которое усиливает усилитель и через зеленый импульсный провод напряжение подается на коммутатор (вывод 6).
Для изменения магнитного поля применяется экран с четырьмя прорезями, который вращается вместе с валом распределителя зажигания (трамблера) проходя между магнитом и принимающей частью датчика Холла. При прохождении в пазу датчика прорези экрана магнитное поле имеет определенную величину и соответственно датчик выдает на коммутатор электрический ток определенного напряжения (9-12 В). При прохождении в пазу датчика зубца экрана магнитное поле экранируется и не поступает на приемник датчика, при этом напряжение, поступающее на коммутатор, падает (0-0,5 В).
Соответственно коммутатор прерывает электрический ток, подающийся на катушку зажигания, магнитное поле в ней резко сжимается и, пересекая витки обмотки, производит ЭДС 22-25 кВ (ток высокого напряжения). Ток через бронепровода попадает на распределитель трамблера и далее на свечи зажигания, производя разряд, поджигающий топливную смесь.
Прохождение каждого из четырех зубцов экрана в прорези датчика соответствует такту сжатия в одном из четырех цилиндров двигателя.
Примечания и дополнения
— На эффекте Холла основан принцип действия еще нескольких автомобильных датчиков, например, датчика скорости инжекторных ВАЗ 21083, 21093, 21099.
— Подробно о неисправностях датчика Холла — «Признаки неисправности датчика Холла».
— Самостоятельно снимаем Датчик Холла — «Как своими силами снять и заменить датчик Холла?».
Еще статьи по датчикам автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099
— Проверка датчика Холла
— Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости автомобилей ВАЗ 21083, 21093, 21099
— Принцип действия бесконтактной системы зажигания
— Схема «устройство датчика кислорода ЭСУД ВАЗ 21083, инжектор»
— Датчик давления масла ВАЗ 2108, 2109, 21099
— Датчик уровня топлива ВАЗ 2108, 2109, 21099
Подписывайтесь на нас!
Автор MechanikОпубликовано Рубрики Принцип действия, Система зажигания автомобиля ВАЗ 2108, 2109, 21099Метки датчик, действия, назначение, принцип, Холла 14 066 viewsЧто такое Датчик Холла — Отключить иммобилайзер
Датчик Холла
Официальное название — датчик положения на эффекте Холла.
Датчик Холла это датчик, работающий на эффекте Холла, суть которого заключается в том, что при при помещении в магнитное поле некоторого проводника с постоянным током, в этом проводнике возникает поперечная разность потенциалов. Также называет холловским напряжением.
Цифровые датчики определяют наличие, либо же отсутствие поля. То есть, если индукция достигает некого порога — датчик выдаёт присутствие поля в виде некой логической единицы, если порог не достигнут – Датчик Холла выдаёт логический ноль. То есть, при слабой индукции и соответственно чувствительности датчика — наличие поля может быть не зафиксировано. Минус такого датчика – наличие зоны нечувствительности между порогами.
Цифровые Датчик Холла так же разделены на: биполярные и униполярные.
Униполярные – срабатывают при наличии поля определённой полярности и отключаются при снижении индукции поля.
Биполярные – реагируют на смену полярности поля, то есть одна полярность – включает датчик, другая – выключает.
Аналоговые Датчик Холла – преобразуют индукцию поля в напряжение, величина показанная датчиком зависит от полярности поля и его силы. Но опять же, нужно учитывать расстояние, на котором установлен датчик.
Где применяется Датчик Холла?
Датчики Холла стали частью многих приборов. В основном, конечно же, они используются по прямому назначению и измеряют напряжённость магнитного поля. Применяются в электродвигателях и даже в таких инновациях, как ионные двигатели ракет. Чаще всего с датчиком Холла приходится сталкиваться при использовании системы зажигания автомобиля.
Такие простые примеры: бесконтактные выключатели, измерители уровня жидкости, бесконтактное измерение силы тока в проводниках, управление двигателями, чтение магнитных кодов, и, конечно же, датчики Холла не могли не прийти на замену герконам, ведь главное их достоинство – бесконтактное воздействие.
Принцип работы Датчик Холла
Как же устроен датчик Холла и откуда берётся это бесконтактное воздействие? Холл заметил, что если в магнитное поле поместить пластину под напряжением, то есть с протекающим по ней током, то электроны в этой пластине отклонятся перпендикулярно направлению магнитного потока. Направление такого отклонения зависит от полярности магнитного поля. Явление названо – эффектом Холла. Таким образом, плотность электронов на разных сторонах пластины будет отличаться, что создаст и разность потенциалов. Вот эту разность и улавливают датчики Холла.
Ниже вы можете наглядно увидеть процесс работы датчика Холла, на примере взят узел системы зажигания автомобиля.
Датчик Холла весьма широко распространен в автомобилестроении, с его помощью измеряют угол положения распредвала, на некоторых автомобилях — угол положения коленвала, на более старых автомобилях он сигнализировал о моменте искрообразования.
Эффект Холла заключается в том, что при пропускании тока через клеммы «а» полупроводниковой пластины, помещенной в поле магнита, на боковых клеммах «б» появляется напряжение.
Еще в 1879 году американский физик Э. Холл, работавший в балтиморском университете, открыл интересное явление, суть которого состояла в следующем. Если в магнитное поле поместить прямоугольную полупроводниковую пластину и к узким ее граням подвести электрический ток, то на широких, гранях пластины возникнет напряжение, величина которого может быть от десятков микровольт до сотен милливольт. Однако техническое применение этого эффекта вынужденно задержалось почти на 75 лет, до той поры, когда началось промышленное производство полупроводниковых пленок с нужными свойствами.
Еще позже, при развитии микроэлектроники, удалось сделать миниатюрный датчик, содержащий все необходимое — постоянный магнит и микросхему с чувствительным элементом. Такое устройство обладает рядом неоспоримых достоинств.
Во-первых — малые размеры.
Во-вторых, и это особенно важно, изменение частоты срабатывания (иными словами — оборотов двигателя) не вызывает смещения момента измерения.
В-третьих, электрический сигнал от датчика имеет, по терминологии специалистов, прямоугольную форму: при включении он сразу набирает определенную и постоянную величину, а не носит характер всплесков.
Для управления электроникой это немалый плюс.
Есть у датчика и другие достоинства, но упомянем о недостатках. Главный из них тот, что присущ всякой электронной схеме: датчик чувствителен к электромагнитным помехам, возникающим в цепи питания (о мерах предосторожности, диктуемых этим обстоятельством, скажем ниже). Кроме того, датчик Холла дороже магнитоэлектрического и теоретически менее надежен, поскольку содержит электронную схему, однако крупномасштабное производство и развитие технологии сводят эти факторы к минимуму.
Работает датчик Холла следующим образом. Когда через зазор проходит металлическая лопасть ротора, магнитный поток шунтируется и индукция на микросхеме равна нулю. При этом сигнал на выходе из датчика относительно «массы» имеет высокий уровень, то есть почти равен напряжению питания.
Проверять датчик лучше всего осциллографом. Но с известной осторожностью можно и более простым оборудованием, прямо на машине.
Первое что нужно сделать — отсоединить разъем кабеля, подходящего к датчику.
Важнейшее условие, которое следует свято соблюдать: зажигание при этом должно быть выключено! Несоблюдение этого условия — одна из основных причин выхода из строя датчиков Холла в эксплуатации. Теперь соберите простую схему, показанную на рисунке. При прохождении магнита мимо датчика светодиод должен попеременно загораться и гаснуть, указывая на наличие сигнала.
Еще одно важное замечание: ни в коем случае не проверяйте датчик контрольной лампой! Именно так погублено множество приборов.
Датчики Холла — E-Mobility Engineering
Магнитные датчики могут использоваться для измерения вращения или линейных перемещений во многих областях электромобилей и инфраструктуры зарядки(любезно предоставлено Melexis) Ник Флаэрти сообщает о растущем использовании этих устройств в электромобилях.. Эффект описывает создание электрического поля в проводнике, по которому течет ток и который расположен перпендикулярно магнитному полю. Тот факт, что индуцированное напряжение пропорционально магнитному полю, обеспечивает измерение, которое используется для управления бесщеточными двигателями и положением почти всего, что вращается.
Конструкция проводника была оптимизирована с различными конфигурациями для различных применений. В некоторых датчиках используется одна пластина, в других — крестообразная или несколько пластин. Третьи используют другие материалы, в частности графен, «двумерную» версию углерода толщиной в один атом. Это повышает чувствительность за счет уменьшения ошибок, которые могут возникнуть из-за толщины чувствительного слоя.
Несколько датчиков Холла также были интегрированы в один чип в массиве из тысяч датчиков. Это можно использовать для измерения качества магнитов, используемых в конструкции электромобиля, чтобы убедиться, что двигатели или датчики не выходят из строя из-за неисправного магнита.
Датчики традиционно использовались для измерения чередования или повторения магнитных полюсов внутри ротора двигателя, при этом три датчика обычно располагались под углом 120º для измерения скорости и положения ротора.
Но растущая чувствительность датчиков за счет интеграции дополнительной обработки в чип, новых структур или новых материалов открывает для них больше возможностей для использования в электромобилях, особенно для измерения тока на входе и выходе из аккумуляторной батареи.
Это становится все более важным для быстрой зарядки, где точное измерение сотен ампер, поступающих в аккумуляторный блок, необходимо для защиты аккумуляторных элементов в аккумуляторном блоке.
Датчики Холла также используются для балансировки нагрузки ячеек, обеспечивая большую гибкость, чем существующие шунтирующие датчики. Шунты, по сути, представляют собой резисторы, включенные последовательно, и поэтому вносят потери. Датчики Холла без сердечника измеряют магнитное поле, создаваемое протекающими токами, поэтому они неинвазивны и практически не имеют потерь.
Однако датчики могут быть чувствительны к колебаниям температуры, поэтому поддержание точности является ключевой задачей.
Другие технологии магнитных датчиков также применяются в электромобилях, от эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR) до индуктивных датчиков, которые используют дорожки на печатной плате в качестве датчика.
Прецизионная линейная схема Холла с малым смещением и медной проводящей дорожкой вблизи поверхности кристалла.
Приложенный ток, протекающий по пути, создает магнитное поле, которое ИС Холла преобразует в пропорциональное напряжение (любезно предоставлено Allegro Microsystems)
В традиционном датчике на эффекте Холла имеются две проводящие пластины, между которыми находится напряжение, подвергающееся воздействию магнитного поля. Это поле может быть от тока или магнита для измерения скорости вращения ротора. Суть в том, что это хорошо зарекомендовавшая себя простая, надежная и надежная технология, которая считается ключевым требованием для автомобильных конструкций.
В электромобилях основное внимание уделяется измерению более высокой напряженности магнитного поля, возникающей из-за более высоких токов. Это может произойти из-за увеличения напряжения аккумуляторных батарей до 9 В.00 В и выше, а также от быстрых зарядных устройств, усиливающих подачу тока в автомобиль при более высоком напряжении. Контроль тока также имеет жизненно важное значение для безопасной работы домашних зарядных устройств.
Эти более высокие напряжения и токи создают больше источников шума и полей рассеяния, что требует дополнительной обработки сигнала. В устройствах на эффекте Холла, основанных на стандартной технологии кремниевых микросхем CMOS, эта обработка может быть добавлена к микросхеме. Эта интегрированная обработка также снижает риск внешнего шума, снижающего точность результатов. Хотя сам датчик почти невосприимчив к воздействию электрических помех, вывод сигнала за пределы микросхемы может увеличить вероятность проникновения помех в систему.
В некоторых датчиках на эффекте Холла используются такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) или фосфид индия (InP), которые являются более дорогими в обработке, для достижения большей чувствительности, поскольку имеется больше носителей, то есть доступных электронов, по сравнению с кремнием. Однако для компенсации этого в кремниевые устройства можно интегрировать дополнительную обработку, а разрешение сигнала определяется в большей степени операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) для обработки сигнала, чем собственными характеристиками самого датчика Холла.
Хотя датчик может быть невосприимчив к шуму, существуют и другие факторы, которые необходимо учитывать и компенсировать. Встроенная обработка также включает мониторинг температуры и компенсацию вибрации, особенно для электромобилей. Он также может включать в себя резервные схемы для систем, критичных к безопасности.
В некоторых случаях в корпус микросхемы может быть встроен магнит, чтобы обеспечить постоянное поле для калибровки.
Существуют различные способы размещения пластин с эффектом Холла, иногда с дифференциальным выходом для устранения шума, температурных циклов и вибрации
Цепи формирования сигнала могут характеризовать рабочие характеристики и смещать датчик, компенсируя условия окружающей среды. По сути, это сложная справочная таблица с результатами тока смещения при различных напряжениях и токах.
Существуют также различные требования к разрешению и чувствительности для различных приложений. Например, устройство на эффекте Холла, используемое для датчика тока на шине, через которую протекают сотни ампер, требует чувствительности всего в миллиампер.
Это может потребовать меньшего преобразования сигнала для обеспечения подходящего отношения сигнал/шум.
Другим датчикам Холла, используемым для измерения скорости вращения, может потребоваться более высокая чувствительность, поскольку измеряемые магнитные поля намного ниже. Для таких приложений, как измерение низких скоростей при парковке, может потребоваться более высокая чувствительность.
Тестирование графенового датчика Холла с помощью атомно-силового микроскопа (любезно предоставлено Paragraf)Для датчиков вращения ключевым моментом является связь с цифровым контроллером. Это может быть традиционный двухконтактный двухпроводной интерфейс, передающий аналоговый сигнал на АЦП в контроллере, хотя растет спрос на однопроводное соединение. Однако контроллеров с таким интерфейсом меньше.
Такие материалы, как GaAs и InP, также могут использоваться для датчиков GMR, которые имеют несколько слоев материалов, а не пластины Холла. Они могут иметь большую чувствительность, чем обычный 1% датчик Холла.
Разрешение имеет решающее значение для управления шагами зарядного тока при быстрой зарядке. Здесь разрешения в миллиамперах более чем достаточно, так как разрешение в 1% будет соответствовать току 1 А для быстрого зарядного устройства на 100 А.
Разработчики теперь также рассматривают возможность использования эффекта Холла для балансировки ячеек в аккумуляторной батарее вместо использования датчиков шунтирующего тока. Они еще не соответствуют требованиям точности менее миллиампера, поскольку токи, протекающие между элементами, могут составлять около 10 А для ионно-литиевых элементов, где оцениваются датчики GMR. Тем не менее, датчики Холла могут подходить для химических элементов, таких как литий-железо-фосфат, где не требуется более высокая точность.
Иногда для контроля входа в упаковку используются датчики Холла; иногда их помещают в выбранные места в пачке. Однако это становится проблемой, поскольку провода должны выходить из аккумуляторной батареи, что может сделать ее восприимчивой к электромагнитным помехам.
Это требует очень осторожного размещения датчиков внутри упаковки.
Возможен ряд устройств с различными конструкциями пластин с эффектом Холла, с версиями для вращательного и линейного использования, а также с аналоговым или широтно-импульсным выходом (ШИМ) или с выходами передачи однократного фрагмента фронта (SENT).
Протокол SENT определяется стандартом SAE J2716 Rev 4. Датчики могут поддерживать различные форматы кадров данных SENT (H.2 и H.4), а также передачу сигнала ошибки по быстрым и медленным каналам.
Несколько программируемых уровней ограничения выходного сигнала расширяют возможности сигнализации об ошибках для индикации различных условий отказа, таких как пониженное/повышенное напряжение, недостаточное/переполнение сигнального тракта и перегрузка по току. Обработка сигнала включает диапазон магнитного поля, чувствительность, смещение и температурные коэффициенты, которые программируются в энергонезависимой памяти.
Одноконтактный интерфейс программирования позволяет одновременно программировать несколько датчиков через выходные контакты с настраиваемым выходом магнитного входного сигнала и обеспечивает 10-битное выходное разрешение, поддерживающее максимальную полосу пропускания 5 кГц.
Другие устройства поддерживают линейные или угловые измерения, невосприимчивые к полям рассеяния, с аналоговым выходом, выходом PWM или SENT. Для критических с точки зрения безопасности приложений ASIL B существуют версии с двойными кристаллами для обеспечения резервирования.
ГрафенГрафен стал ключевым материалом для датчиков Холла. Новая технология позволяет наносить слой углерода толщиной в один атом с помощью модифицированного процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD), который очень похож на тот, который используется для изготовления кремниевых чипов.
Эти устройства имеют более высокую чувствительность, чем кремниевые версии, но в прошлом изготавливались вручную в исследовательских лабораториях. Использование коммерческого процесса открывает возможность массового производства устройств.
Сам датчик представляет собой единую графеновую пластину с четырьмя выводами — два для подачи напряжения смещения и два для улавливания поля, индуцированного магнитным полем.
Им нужен отдельный блок для преобразования и обработки сигналов, поскольку для разных приложений требуются разные напряжения смещения. Со временем эта электроника будет интегрирована в сопутствующее устройство ASIC для конкретных приложений.
Более высокая точность достигается за счет контроля количества носителей в графене, которое можно настроить с помощью процесса CVD.
Одиночный слой атомов позволяет избежать ложных сигналов в датчике. Стандартные кремниевые датчики имеют глубину всего несколько микрон, но это может привести к ошибке из-за движения. Эта ошибка может проявляться как смещение синусоидального сигнала на выходе датчика.
Графеновые датчики на эффекте Холла были протестированы с мощными магнитами на ускорителе частиц CERN в Европе. Вращение датчика на 360º показало, что графеновый датчик может измерять поля в 100 раз меньше, чем устройства с кремниевыми пластинами.
Размер листа графена также варьируется, что позволяет создавать очень маленькие устройства.
Активная площадь может быть от 10 до 100 мкм2, а размер в большей степени определяется местом для контактных площадок. Это открывает возможность разместить тысячи датчиков на чипе для создания камеры магнитного поля. Двумерная природа графеновой пластины также позволяет избежать перекрестных помех между датчиками в массиве.
Датчики меньшего размера используются для регистрации большей части тока, протекающего через элемент, открывая новую область для характеристики элемента карманного аккумулятора. Датчики могут быть размещены сверху и снизу ячейки мешочка для определения размера и направления различных токов в различных слоях ячейки. Этот механизм не совсем понятен, но измерения помогут охарактеризовать работу элемента, предоставив больше информации, которая может привести к увеличению срока службы и безопасности конструкции элемента.
Графеновые датчики Холла также проходят испытания в системах быстрой зарядки с током в сотни ампер для обеспечения мгновенного считывания тока вместе с датчиком температуры PT100, поскольку производительность датчика зависит от температуры.
Датчики на эффекте Холла также используются в массивном массиве для создания камеры магнитного поля для проверки оборудования при контроле качества сборок с постоянными магнитами.
Микросхема, построенная по кремниевой технологии, имеет массив датчиков 128 x 128 с шагом 0,1 мм, что дает матрицу из 16 384 датчиков на микросхеме размером 12,7 x 12,7 мм. Считывание показаний датчиков за 800 мс дает изображение распределения магнитного поля. Каждый датчик локально измеряет магнитное поле, и распределение позволяет получить многие свойства магнитов.
Массив камер использует базовую физику, присущую полю, для расчета общего магнитного поля вокруг магнита. Это означает, что поле на определенном расстоянии, например 2 мм от магнита, может предоставить данные для расстояний 0,5 мм и 5 мм без необходимости перемещения.
Алгоритмы управляющего программного обеспечения камеры корректны с точки зрения вычислений и основаны на уравнениях Максвелла для получения данных о глубине или Z.
Эти алгоритмы дают данные Z для всего поля из одной точки, учитывая, что поле может быть измерено как граничное условие.
(любезно предоставлено Paragraf)
Используется для измерения поля вокруг мощных отдельных магнитов или магнитов, собранных в двигатель.
Системы сканирования могут отображать большую площадь с помощью робота. Это перемещает датчик пошагово и сшивает данные вместе, чтобы удовлетворить граничным условиям для больших магнитов.
Матрица построена с использованием стандартного кремниевого процесса CMOS, что позволяет интегрировать электронику обработки сигналов. Пластины Холла, которые действуют как пиксели, представляют собой крестообразные плоские резисторы из легированного кремния n-типа с четырьмя выводами, и каждый пиксель может быть выбран отдельно без перекрестных помех в запатентованной инновации. Через крестовину подается ток в одном направлении, а напряжение Холла считывается на двух других клеммах, создавая аналоговый сигнал, пропорциональный полю в этом месте.
Каждый датчик пикселя окружен несколькими транзисторами выбора и считывания, расположенными по четыре строки в строке и четыре строки в столбце, а данные считываются путем мультиплексирования датчиков. Это создает выходной аналоговый сигнал, который усиливается и оцифровывается.
Поле, которое можно измерить, обычно составляет около 1 Гаусса, что составляет 0,1 мТл, и калибруется в очень стабильной среде с использованием калибровочного магнита в термостабилизированной камере. Эта камера также может использоваться клиентами для повторяющейся калибровки. Обнаруженные поля обычно относятся к магнитам, используемым в поворотных энкодерах.
Магнитная камера использует массив из 16 384 датчиков Холла(любезно предоставлено Magcam)
Этот тип камеры перемещается из исследовательской лаборатории в производственную среду, что требует более быстрого вывода. Ряд измерений усредняется, чтобы получить лучший результат с меньшим шумом, но для более быстрого измерения количество датчиков можно уменьшить, например, считывая каждый второй датчик, чтобы обеспечить выходной сигнал, который в четыре раза быстрее.
Для измерений ротора массив обычно измеряет одну линию при вращении ротора, поскольку нет смысла измерять весь двумерный массив. Поле имеет цилиндрическую форму, поэтому есть одна линия, которая является ключевой. Это дает одну линию измерения под определенным углом, который определяет все поле. Точно так же можно настроить количество пикселей в каждой строке, например, используя каждый второй пиксель для удвоения скорости.
Более длинные линии можно использовать для измерения ротора при меньшем количестве оборотов. Ротор может иметь длину 150 мм, поэтому для покрытия всей поверхности массивом 12,7 мм потребуется несколько устройств на печатной плате для проверки ротора за один оборот.
Производители двигателей сейчас стремятся добавить этот тип массива камер в производственные линии для 100% контроля качества магнитов в двигателях.
Массив датчиков может генерировать изображение всей 2D-поверхности, что позволяет выявлять такие проблемы, как зубчатый момент в роторе, которые невозможно обнаружить другими способами.
Крутящий момент или крутящий момент в обесточенном состоянии — это крутящий момент, возникающий в результате взаимодействия между постоянными магнитами ротора и пазами статора. Это зависит от положения, а его периодичность на оборот зависит от количества магнитных полюсов и количества зубцов на статоре. Это может быть заметно на более низких скоростях, вызывая рывки, а использование массива может определить колебания магнитного поля во время сборки.
ЭнкодерыМагниты поворотного энкодера представляют собой очень важный класс датчиков, используемых в автомобильной промышленности. Магниты обычно имеют двухполюсное намагничивание и работают с датчиком магнитного поля.
Качество магнита играет решающую роль в точности готовой системы энкодера, и производительность обычно измеряется на расстоянии нескольких миллиметров от датчика с полем 50 мТл, где алгоритм датчика очень удобен. Это позволяет измерять поле с типичной силой 200 мТл на расстоянии 0,5 мм, чтобы получить изображение поля без шумов при 50 мТл.
Это позволяет камере опускаться до диапазона микроТесла и измерять углы поля в поворотном энкодере. Если магниты неоднородны, тогда в поле под определенным углом будут пульсации, и это можно использовать для характеристики магнита и прогнозирования угловых отклонений, которые будут наблюдаться в системах энкодера.
Это возможно, потому что массив измеряет всю поверхность магнита, а также силу и ориентацию поля в каждой позиции. Это дает угловую ошибку, которую увидит энкодер, поэтому ее можно предсказать до того, как вся система будет собрана.
Это может компенсировать неточности магнита в энкодере, но также могут быть большие различия в качестве магнитов, и для некоторых магнитов может быть невозможно применить эту компенсацию. Варианты могут исходить от магнитов, связанных пластиком, в которых магнитный материал смешивается с пластиком, а затем отливается; любая неоднородность пластика может вызвать изменения в магнитном поле.
Массив также может обнаруживать плохо намагниченные магниты, например, имеющие двойной полюс.
Вместо полюса Север-Юг есть переход с Севера-Юга на Север-Юг. Это может произойти, если намагничивающее ярмо, создающее магнит, расположено неправильно.
(любезно предоставлено Magcam)
Контроль качества магнитов становится все более важным, и матричный датчик можно использовать для сортировки магнитов по различным версиям, от премиальных для высококачественных энкодеров, требующих высокого уровня стабильности и точности, до тех, которые подходят только для определенных приложений с компенсацией. Это также помогает выявить плохо работающие магниты, которые нельзя использовать, а сортировку может выполнить производитель магнита или разработчик энкодера.
Массивное зондирование также становится все более важным для оценки поля в аксиальных двигателях, используемых для колесных двигателей или электрических самолетов, где используются более сильные магнитные поля. В осевом двигателе ротор плоский, что хорошо подходит для датчика с плоской матрицей.
Была разработана версия матричного датчика с лазерным датчиком, измеряющим поверхность ротора, и магнитом с магнитным полем для контроля расстояния.
Разработчики систем управления двигателями постоянного тока в настоящее время рассматривают возможность замены магнитов, необходимых для датчиков Холла, индуктивными датчиками, которые можно интегрировать в простые компактные печатные платы.
Например, индуктивный датчик был специально разработан для приложений управления двигателем электромобиля с дифференциальными выходами, высокой частотой дискретизации и функциями, которые делают его пригодным для конструкций функциональной безопасности ISO 26262 с классификацией ASIL C.
Индуктивные датчики положения на основе печатных плат используют первичную катушку для создания магнитного поля переменного тока, которое взаимодействует с двумя вторичными катушками. Небольшой металлический объект-мишень возмущает магнитное поле, так что каждая вторичная катушка получает разное напряжение, отношение которого используется для расчета абсолютного положения.
Благодаря использованию металлических дорожек печатной платы, а не трансформаторных магнитных обмоток и катушек, индуктивный датчик имеет незначительные размеры и массу по сравнению с альтернативными датчиками, которые весят до 450 г. Точность этих датчиков лучше, чем у других датчиков на эффекте Холла, так как они не зависят от силы магнита, а конструкция дорожек может активно отклонять блуждающие магнитные поля.
Метод ZCL обеспечивает более точное определение эффекта Холла(любезно предоставлено ABLIC) Датчики-защелки перехода через ноль
Датчик Холла с защелкой перехода через ноль (ZCL) использует защелку в микросхеме для изменения выходного сигнала в точке пересечения нуля, где меняется полярность. Его можно использовать с бесщеточными двигателями постоянного тока (BLDC), поскольку он не чувствителен к изменениям плотности магнитного потока и температуры и, таким образом, обеспечивает стабильное обнаружение.
Это также обеспечивает большую гибкость при размещении датчика Холла в двигателе.
Обычная ИС на эффекте Холла определяет полярность и интенсивность приложенного магнитного потока и переключает выходной сигнал. ИС на эффекте Холла ZCL обнаруживает, когда южный полюс плотности приложенного магнитного потока изменяется на северный полюс или наоборот, и переключает выходной сигнал.
Это предотвращает снижение эффективности из-за изменений температуры и производственных отклонений, а также упрощает программное обеспечение управления, необходимое для плавного высокоскоростного вращения.
Температура окружающей среды ИС на эффекте Холла, используемых в качестве датчика положения в двигателе BLDC, значительно изменяется в зависимости от окружающей среды и колебаний нагрузки. По мере увеличения нагрузки катушка выделяет тепло, повышающее температуру магнита, что приводит к изменению плотности магнитного потока, воздействующего на ИС.
В обычном датчике на эффекте Холла изменение плотности магнитного потока, вызванное повышением температуры в магните, означает, что сигнал может отставать от оптимальной синхронизации для выхода, что приводит к порочному кругу снижения эффективности двигателя и дальнейшего повышения температуры.
Здесь проводится большая работа по обработке сигнала.
Устройство на эффекте Холла ZCL определяет изменение полярности и обеспечивает оптимальную синхронизацию, даже если характеристики магнита изменяются при повышении температуры. Это предотвращает последовательное снижение эффективности, которое происходит, когда ИС на эффекте Холла пропускает оптимальное время для выхода.
По разным причинам расстояние между ротором BLDC двигателя и ИС на эффекте Холла часто неодинаково. Точность обработки ротора, точность сборки оси вращения, подшипников, ротора и других деталей, точность монтажа компонентов на печатной плате датчика и другие факторы во время изготовления — помимо вибраций при вращении двигателя — также могут вызывать изменение расстояния между магнитом и датчиком.
По этим причинам серийно выпускаемые двигатели, которые, как ожидалось, будут обеспечивать удовлетворительную эффективность на этапе проектирования, могут демонстрировать индивидуальные различия в эффективности, что также приводит к различиям в эффективности во время работы.
Устройство на эффекте Холла ZCL выдает сигнал в нужное время, независимо от изменений расстояния между магнитом и датчиком. Точное измерение угла поворота является ключом к обеспечению плавного высокоскоростного вращения двигателя. Это требует интеграции контроля угла опережения и угла задержки в устаревшее программное обеспечение управления двигателем, предоставления таблицы синхронизации на основе температуры, выполнения калибровок для корректировки и учета производственных отклонений.
Однако, если факторы, изменяющие плотность магнитного потока, используются для обнаружения вращения двигателя, программному обеспечению потребуется более детальное управление для проверки большего количества условий.
Поскольку устройство на эффекте Холла ZCL может обнаруживать изменение полярности независимо от внешних причин, нет необходимости выполнять калибровку для учета изменений плотности магнитного потока. Это означает, что более простое программное обеспечение может использоваться для обеспечения плавного управления вращением без калибровки.
Датчики Холла являются стандартным компонентом, используемым во многих частях электромобиля, от датчиков рулевого управления до датчиков скорости вращения колес и двигателя. Новые материалы, такие как графен, значительно повышают их чувствительность и открывают возможности для определения характеристик карманных элементов и аккумуляторных батарей. Возможность более точного, мгновенного и неинвазивного измерения тока на входе и выходе из аккумуляторной батареи дает разработчикам электромобилей и разработчикам устройств для быстрой зарядки гораздо больше данных о характеристиках трансмиссии.
Более тесная интеграция датчиков для критически важных с точки зрения безопасности конструкций и более эффективная обработка сигналов также способствуют внедрению этих устройств на платформы электромобилей.
Более тесная интеграция с тысячами датчиков Холла на массиве также помогает улучшить оценку магнитов в процессе производства. Это может помочь улучшить качество поворотных энкодеров и даже осевых двигателей, повысив производительность электромобилей и электрических самолетов.
Автор хотел бы поблагодарить Motaz Khader из Allegro Microsystems, Koen Vervaeke из Magcam и Хью Гласса из Paragraf за помощь в подготовке этой статьи.
Некоторые поставщики датчиков Холла и магнитных датчиковБельгия
Melexis
Германия
2
Япония
ABLIC
Великобритания
Paragraf
США
Allegro Microsystems
Monolithic Power
Honeywell
Diodes Inc
API Technologies
–
+32 5722 6131
–
+49 761 517 0
–
+81 3 6758 6815
–
+44 1223 739782
–
+1 508 854 5800
+1 425 296 9956
+1 800 537 6945
+1 972 987 3900
+1 508 251 6479
–
www.
melexis.com
–
www.micronas. tdk.com
–
www.ablic.com
–
www.paragraf.com
–
www.allegromicro.com
www.monolithicpower.com
www.honeywell.com
www.diodes.com
www.apitech.com
| Последние новости Датчики и датчики Холла (HAL) Что нужно знать техническому специалисту о диагностике и проверке датчиков Холла и приемных катушек, расположенных в распределителе зажигания автомобиля. Примечание: Датчики Холла в целом. Датчики Холлашироко используются для контроля вращения и движения компонентов во многих операционных и управляющих системах современного автомобиля. Датчики Холла могут выдавать один из трех выходных сигналов в зависимости от системных требований.
Датчики Холла распределителя зажигания. (тип цифрового сигнала переменной частоты) Одной из наиболее распространенных областей его применения на автомобилях, оснащенных распределителями зажигания, является контроль вращения вала распределителя зажигания и положения вала по отношению к коленчатому валу. Это требуется блоку управления двигателем для помощи в управлении зажиганием и подачей топлива. Сигнал HALL может использоваться непосредственно модулем зажигания в качестве триггера для включения и выключения катушки зажигания или ЭБУ для управления работой катушки зажигания через силовой транзистор. В любом случае выходной сигнал HALL не изменяется и проверяется аналогичным образом. Типовой сигнал осциллографа, полученный на распределителе при постоянной скорости вращения. Это предпочтительный метод проверки сигнала прямоугольной формы. (Для этого теста мультиметры не используются.) Двойные датчики Холла, расположенные в распределителе . Некоторые автомобили используют два датчика Холла внутри распределителя для контроля скорости вала для ECU, выполняемого типичным датчиком угла поворота коленчатого вала (CAS), а также для контроля положения ВМТ первого цилиндра, выполняемого типичным датчиком угла распредвала. Типовой датчик Холла распределителя VT Commodore объемом 5 литров. Неисправность в «цепи» датчика Холла обычно приводит к отсутствию или прерывистому выходному сигналу, что обычно вызывает трудности при запуске или его отсутствие. Источники питания и пригодность заземления должны быть проверены до любой мысли о замене датчика Холла. Датчики катушки датчика зажигания. (индуктивный тип) Многие более ранние дистрибьюторы использовали датчик катушки зажигания индуктивного типа вместо датчика Холла в качестве триггера для модуля зажигания или ECU для управления работой катушки зажигания. Как правило, модуль зажигания не будет работать, если он получит сигнал неправильного типа, поэтому важно согласовать модуль с требуемым типом триггерного сигнала. Многие дистрибьюторы имеют несколько измерительных катушек для контроля оборотов коленвала и кулачка, а также контроля положения цилиндра в зависимости от используемой системы управления двигателем. Для проверки сигнала индуктивного типа снова требуется подходящий осциллограф, но перед любой проверкой существуют необходимые условия.
Обратите внимание на разницу в амплитуде типичных сигналов катушки датчика на приведенном ниже экране.
Примечание: Обмотки индуктивной катушки чувствительны к полярности. Два провода должны быть подключены к правильным клеммам, чтобы модуль контролировал правильное время зажигания катушки зажигания. |
