CN114113667A - 一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置 - Google Patents

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邹治弢
闫洁
赵鹏飞
周宇飞
徐博谦
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed

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Abstract

本发明涉及一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置，骨架两端分别连接的安装座及封装外壳，骨架中设有永磁体及相对应的霍尔元件，霍尔元件的输出分别连接两个运算放大器，运算放大器分别依次连接滤波器、施密特触发器，施密特触发器输出连接到驱动门电路。使得霍尔IC在工作气隙范围内具备极佳的对径向振动的抗干扰性，又通过对共模信号的检测，利用芯片滤波环节的不同频带参数消除了系统稳态磁场和系统失调，将不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带，同时直流失调被调制成为高频信号。磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，使得具备极强的抗干扰能力。

Description

一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置
技术领域
本发明属于集成电路霍尔器件技术设计领域，涉及一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置。
背景技术
霍尔器件中每个霍尔单元均包括有源失调补偿，放大器对霍尔单元的电压信号预处理，通过有效的工艺手段，霍尔阵列中的四个单元能够保证较高的一致性，每一项输出所需的一对霍尔单元采用共轭的形式有效去除失调电压，保证阵列测量的精确度，这些特性在整个温度和电源电压范围内均具有出色的稳定性和开关点的匹配性。霍尔效应是电磁效应的一种，在长方形导体薄板上通以电流I，沿电流的垂直方向施加磁感应强度B，在洛伦兹力的作用下电子的运动轨迹向法向偏移，就会在与电流I和磁感应强度B都垂直的方向上产生的电势差V，此现象为霍尔效应。
可以分析在恒定激励下磁场强度B正比于洛伦兹力的大小，磁场强度的变化就会直接影响电子偏向输出端的速度和总量，绝大多数领域的霍尔元件设计成十字交叉型的对称型结构，目的是为了从几何尺寸上的约束便可以实现对霍尔元件量程和失调电压的控制，同时对磁场更均匀地感应，便于后级电路进一步信号处理。
与其他被测量时的线性霍尔元件不同的是，速度传感器的霍尔元件为开关量输出，此时霍尔单元最注重的是阵列内的响应一致性、零点准确度以及失调电压，物理意义上的理想霍尔器件在电气控制上等效于接入一个窗口比较器进行输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于霍尔原理的齿轮测速装置，以解决测速装置的抗干扰能力，提高测量精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置，包括骨架两端分别连接的安装座及封装外壳，骨架中设有电路板、永磁体及相对应的霍尔IC，其特征在于：
霍尔IC主要包括十字交叉性霍尔元件，霍尔元件的输出分别连接两个运算放大器，每个运算放大器分别依次连接滤波器、施密特触发器，施密特触发器输出连接到驱动门电路。
本发明设计独立A/B正交双通路霍尔IC，IC内含四个霍尔单元，通过磁体的反向偏置，可以在不同点感应含铁磁体（如齿轮）的磁感线，所产生的两个差分内部模拟电压，在IC内部预处理以便于后续器件的精确采集。每个独立通道，器件通过测量磁场强度来检测永磁体结构和运动位置。对于运动和位置变化的被测磁靶形成的磁通量（几何尺寸上决定了AB通道输出的先后顺序），在每个通道中由两个霍尔单元测量，从时序的意义上去理解这种特殊设计使得IC在工作气隙范围内具备极佳的对径向振动的抗干扰性，又通过对共模信号的检测，利用芯片滤波环节的不同频带参数消除了系统稳态磁场和系统失调，将不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带，同时直流失调被调制成为高频信号。磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，使得具备极强的抗干扰能力。
附图说明：
图1是本发明采用的十字交叉性霍尔元件示意图；
图2是本发明使用状态示意图；
图3是本发明的结构原理图；
图4是本发明工艺流程图。
具体实施方式：
如图1所示，本发明提供的一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置，包括骨架两端分别连接的安装座及封装外壳，骨架中设有电路板、永磁体及相对应的霍尔IC。
如图2所示，霍尔IC内集成了霍尔效应敏感单元阵列、放大器、滤波器、施密特触发器、基准源、保护等全部所需回路，具备两相独立正交（@2mm齿宽）输出端，器件在全温区范围内要保证高灵敏度和优异的稳定性，并且具备高度对称性的阈值，以实现稳定的占空比。在磁路设计中先针对齿轮下的使用情形用COMSOL对磁路进行仿真分析，在全闭合场中（内置永磁体）对两项输出的四个霍尔单元构成的霍尔阵列进行了最优化配置，用于响应旋转环形磁体以及与磁体耦合的铁靶在旋转时产生的变化差分磁场，该IC通过A/B正交输出，特别适用于磁环、铁齿轮的转动速度以及方向测量。
本发明独创性主要体现在：
要最大程度减小占空比的变化量以及保障AB相的鉴向作用，要保证方波的理想“开关”特性，从IC结构不难看出，目前国内、国际的施密特触发器（窗口比较器）性能基本一致，没有本质的差别，那么制约相位移特性的主要在霍尔阵列中每个单元的响应速度差上，如果同阵列的各个单元响应速度差值视在延迟较大，那么霍尔单元测得的正弦信号也存在等量固定时差，那么在不同速度下（等效于频率）理论相角偏差就不是一个恒定值，全速度段内固定占空比下的相角将产生非常大的偏差，一旦相角偏差在高频段下达到了180°，输出信号将不利于对转动方向的判别，对后续仪表和控制系统将产生严重后果，因此在研发IC和IC制备工艺中充分量化，在较高的集成度设计和工艺过程中，要实现阵列化一致性的工作即包含了几何图形一致性也包含了掺杂工艺的一致性，阵列化排布的A相和B相的各两路霍尔单元几何中心相距1mm（50±10% × 2mm=0.8～1.2mm）的设计非常有利于内部电路评估运动方向，并在计数信号的每个边沿（上升和下降）更新方向输出。
IC设计优先优化指标：
磁路设计保证大气隙，预留裕量；
低启动电压3.8V（典型）（3.8～24VDC供电范围）；
低功耗6.5mA（典型）；
精确的“穿零开关点”：0.25%FS（0.5～2.5mT @ -500～+500mT FS 25高斯）；
宽温区：-40～150℃；
所有引脚过压保护：30～40VDC；
VDD反向保护；
防止电气干扰的输出端保护。
与市面常见的双极霍尔开关型（接近开关）相比，因本设计集成了更多功能，其特性和性能对照如下：
普通接近开关 本IC设计
测量距离： 0～2mm 0～2mm
开关频率范围： 1Hz～10kHz 1Hz～18kHz
供电电压： 4.5～18V 3.8～24VDC
输出信号类型： 方波 方波
温度范围 -20～85℃ -40～150℃
最低驱动电流 13.6mA 6.5mA
零点失调 1%FS 0.25%FS
鉴向功能 需要两路 单片整合

Claims (1)

1.一种基于霍尔元件的齿轮正交输出测速装置，包括骨架两端分别连接的安装座及封装外壳，骨架中设有电路板、永磁体及相对应的霍尔IC，其特征在于：
霍尔IC主要包括十字交叉性霍尔元件，霍尔元件的输出分别连接两个运算放大器，每个运算放大器分别依次连接滤波器、施密特触发器，施密特触发器输出连接到驱动门电路。
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