Comparaison de capteurs à effet Hall à verrouillage bipolaire avec

Comparaison de capteurs à effet Hall
à verrouillage bipolaire avec et sans
stabilisation par hacheur
Des résultats d’essai montrent qu’il est possible d’obtenir des performances
notablement plus élevées en utilisant un élément à effet Hall quad et une
programmation spécifique sans stabilisation par hacheur.
Introduction
Honeywell Sensing and Control a développé un capteur à verrouillage bipolaire à sensibilité élevée
et réponse rapide en utilisant un élément à effet Hall quad et une programmation spécifique sans
stabilisation par hacheur. Ce nouveau concept présente plusieurs avantages, notamment une
grande sensibilité, une bonne répétabilité et des temps de réponse courts, des caractéristiques
précieuses pour un moteur à courant continu sans balais (BLDC) efficace.
Ce document présente les résultats d’une évaluation comparative effectuée par Honeywell
du verrouillage a de faibles niveaux de magnetisme entre le capteur a effet Hall a verrouillage
bipolaire non stabilise par hacheur SS460S de Honeywell et cinq produits concurrents stabilises
par hacheur. Les essais portent sur le temps de réponse, la répétabilité et la sensibilité à l’entrefer.
Les résultats indiquent que le capteur à effet Hall SS460S de Honeywell procure de meilleures
performances, avec un temps de réponse plus court de 10 à 20 µs (microsecondes) par rapport
aux échantillons de capteurs stabilisés par hacheur, notamment par rapport à deux produits
présentant une meilleure sensibilité que le capteur SS460S Honeywell.
Évaluation comparative du verrouillage à de faibles niveaux
de magnétisme
Échantillons
1.HoneywellA SS460S
2.MicronasB HAL202jQ-K
3.MelexisB US1881LUA
4.DiodesBAH3761-PG-B
5.AllegroBA1220EUA
6.InfineonB TLE4946 (voir addendum pour les résultats d’essai)
Note A
La plupart des échantillons nominaux d’un groupe de 30 ont été utilisés pour cet essai.
Note B
Un échantillon aléatoire de produits concurrents ont été choisis pour ce test.
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Configuration d’essai
On place une cible circulaire dotée de 48 paires de pôles magnétiques pour déclencher les
échantillons de produits. On place les échantillons dans le champ magnétique aussi proches que
possible les uns des autres et centrés sur l’axe Y (comme le montrent la Figure 1 et un gros plan
des pièces sur la Figure 2). On effectue les essais avec un entrefer de 0,020 pouce (0,508 mm).
Figure 1. Cible circulaire
Figure 2. Gros plan
Figure 3. On utilise un logiciel personnalisé pour contrôler avec précision la rotation
de la cible et la position de l’échantillon.
On mesure tous les résultats par rapport à un point mort haut (PMH) ayant un temps de réponse
très court. Cette méthode permet d’utiliser la cible individuelle exacte (48 au total sur la roue cible)
pour toutes les mesures et d’éliminer ainsi les variations entre les cibles individuelles.
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Résultats
Estimation du temps de réponse
Pour calculer le temps de réponse, on fait tourner la cible à différentes vitesses, dans le sens
horaire et dans le sens anti-horaire, avec un entrefer de 0,020 pouce (0,508 mm). On mesure
l’angle de rotation de la cible au moment du déclenchement de la sortie du capteur.
Fréquence
Direction
Front 1
Front 2
Front 3
Front 4
Front 5
500
Sens anti-horaire
3,336
7,11
10,831
14,647
18,379
500
Sens horaire
3,468
7,271
10,991
14,751
18,527
front réel estimé
3,402
7,1905
10,911
14,699
18,453
angle de transition
0,132
0,161
0,16
0,104
0,148
1000
Sens anti-horaire
3,345
7,107
10,838
14,64
18,369
1000
Sens horaire
3,469
7,265
10,996
14,74
18,529
front réel estimé
3,407
7,186
10,917
14,69
18,449
angle de transition
0,124
0,158
0,158
0,1
0,16
2000
Sens anti-horaire
3,343
7,105
10,818
14,594
18,357
2000
Sens horaire
3,476
7,273
10,996
14,775
18,529
front réel estimé
3,4095
7,189
10,907
14,6845
18,443
angle de transition
0,133
0,168
0,178
0,181
0,172
4000
Sens anti-horaire
3,285
7,065
10,788
14,528
18,313
4000
Sens horaire
3,51
7,29
11,017
14,825
18,542
front réel estimé
3,3975
7,1775
10,9025
14,6765
18,4275
angle de transition
0,225
0,225
0,229
0,297
0,229
Lorsque la cible est suffisamment lente, le temps de réponse est beaucoup plus court que celui
du champ magnétique mobile de la cible. Ainsi, la latence attendue entre l’angle correspondant
au niveau 0 gauss et l’angle de détection du champ dépend de la configuration de l’essai et de la
sensibilité du produit. Lorsque la cible se déplace plus rapidement, l’angle enregistré résulte d’une
combinaison de la latence du champ magnétique et du temps de réponse du capteur.
Dans cet exemple, les résultats de Front 1 montrent que l’angle de la transition reste assez stable
aux fréquences faibles comprises entre 500 et 2000 tr/min. À 4000 tr/min, on observe une dérive de
l’angle, qui augmente de 0,06° environ sur la totalité de l’angle de la transition, en raison du temps
de réponse du capteur. À 4000 tr/min, un angle de 0,06° correspond à 2,5 µs (0,06°/360°/4000 tr/
min x 60). Par conséquent, le temps de réponse estimé est égal à la moitié de l’augmentation de la
transition, soit 1,25 µs** en tout.
** Le temps de réponse d’un capteur dépend du type de cible, de l’entrefer et de la température.
Cette valeur n’est pas destinée à être utilisée comme une spécification mais plutôt comme une
valeur observée spécifique à cette configuration d’essai.
Réponse au champ magnétique
Les échantillons sont montés et centrés de telle sorte que les deux échantillons - SS460S de
Honeywell et un produit concurrent - se situent dans le même champ magnétique du dispositif
d’essai et soient équidistants du centre réel du champ. Dans cette configuration, les deux
échantillons sont soumis au même environnement. Il est ainsi possible de procéder à une
comparaison directe. On fait tourner la cible à 5000 tr/min et on effectue une centaine d’analyses
avec un oscilloscope pour observer la réaction du capteur par rapport à la cible. Les formes
d’onde des échantillons 2, 3 et 4 montrent un front large qui indique que ces derniers n’ont pas
commuté au même point. Ces résultats suggèrent que les échantillons concurrents ne fournissent
pas des résultats reproductibles. L’échantillon Honeywell, ainsi que des échantillons 5 et 6, ne
montrent aucune variation (pas de front blanc important), ce qui indique une bonne répétabilité.
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Tous les échantillons présentent un temps de réponse plus long que le produit Honeywell. Les
échantillons 2, 3, 4, 5 et 6 présentent tous un retard du temps de réponse compris entre 10 et 30 µs.
Ce temps de réponse plus long est dû au processus de stabilisation par hacheur.
Dans tous les graphiques d’oscilloscope ci-dessous :
•
Le tracé du haut correspond au capteur Honeywell
•
Le tracé du bas correspond au capteur concurrent
•
100 balayages affichés
•
Échelle horizontale : 20 µs/grad
•
Vcc = 24 Vcc
•
Entrefer de 0,020 pouce (0,508 mm) avec la cible
Figure 4. Micronas (échantillon 2)
Le capteur Micronas présente un temps de réponse plus long de 8 à 32 µs par rapport au capteur
Honeywell. L’essai montre également une variation de 20 µs pour l’instant de déclenchement.
Figure 5. Melexis (échantillon 3)
Les résultats d’essai montrent que le capteur Melexis a un temps de réponse plus long de 13 à 30 µs
par rapport au capteur Honeywell. L’essai montre également une variation comprise entre 10 et 12 µs
pour l’instant de déclenchement.
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Figure 6. Diodes (échantillon 4)
Le capteur Diodes présente un temps de réponse plus long de 9 à 32 µs par rapport au capteur
Honeywell. L’essai montre également une variation de 15 µs pour l’instant de déclenchement.
Figure 7. Allegro (échantillon 5)
Le capteur Allegro présente un temps de réponse plus long de 12 µs par rapport au capteur
Honeywell. L’essai n’indique aucune variation de l’instant de déclenchement. Une hypothèse
concernant la meilleure répétabilité est la fréquence plus élevée de la stabilisation par hacheur
par rapport aux autres échantillons.
Figure 8. Infineon (échantillon 6)
Le capteur Infineon présente systématiquement un temps de réponse plus long de 14 µs par
rapport au capteur Honeywell. L’essai n’indique aucune variation de l’instant de déclenchement.
Une hypothèse concernant la meilleure répétabilité est la fréquence plus élevée de la stabilisation
par hacheur par rapport aux autres échantillons.
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Validation du montage des produits
Un retard entre les déclenchements de deux échantillons peut être dû au désalignement du champ
magnétique. Dans le cas mentionné ci-dessus, un retard de 10 µs à 5000 tr/min avec un rayon
de la cible égal à 3 pouces (76,2 mm) correspond à une distance parcourue de 0,0157 pouce
(0,399 mm) (10^-6 * 1/60 * 5000 * 2π * 3). Par conséquent, pour valider l’essai, les échantillons ont
été inversés, puis de nouveau soumis à l’essai à l’aide de la même méthode.
Dans tous les graphiques d’oscilloscope ci-dessous :
•
Le tracé du haut correspond au capteur Honeywell
•
Le tracé du bas correspond au capteur concurrent
•
100 balayages affichés
•
Échelle horizontale : 20 µs/grad
•
Vcc = 24 Vcc
•
Entrefer de 0,020 pouce (0,508 mm) avec la cible
Figure 9. Honeywell dans l’empreinte du bas, échantillon 5 dans l’empreinte du haut
Figure 10. Honeywell dans l’empreinte du haut, échantillon 5 dans l’empreinte du bas
Les résultats montrent une différence entre les empreintes. Mais, indépendamment de la différence,
l’échantillon Honeywell répond plus rapidement au champ magnétique dans les deux cas. Le
retard supplémentaire de 10 µs sur l’échantillon 5 correspond à 0,0157 pouce (0,399 mm) et peut
être attribué à un léger décentrage de l’un ou l’autre des échantillons ou à une petite différence
dans le champ magnétique sur l’axe Z.
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Sensibilité à l’entrefer
On considère qu’une part importante du temps de réponse total du capteur est due à l’entrefer.
Pour comparer l’influence du capteur, d’une part, et de l’entrefer, d’autre part, on mesure
l’échantillon Honeywell (sensibilité typique de 30 gauss) et de l’échantillon 5 Allegro (sensibilité
typique de 22 gauss*) pour différents entrefers pour voir comment varie le temps de réponse.
*Sensibilité typique publiée dans la fiche technique du fabricant
Figure 11. Comparaison de l’influence de l’entrefer
Entrefer
0,020 po
(0,508 mm)
Entrefer
0,100 po
(2,54 mm)
Entrefer
0,050 po
(1,27 mm)
Entrefer
0,125 po
(3,175 mm)
Entrefer
0,075 po
(1,905 mm)
Entrefer
0,150 po
(3,81 mm)
Entrefer
0,155 po
(3,937)
Le capteur SS460S surpasse l’échantillon Allegro (N° 5) quel que soit l’entrefer. Les résultats
indiquent que pour le temps de réponse, une stabilisation sans hacheur est préférable à une
sensibilité plus élevée.
La latence du champ magnétique augmente avec l’entrefer, ce qui influe sur le temps de réponse
des deux capteurs. Les deux capteurs ont été essayés avec un entrefer allant jusqu’à 0,150 pouce
(3,81 mm), mais n’ont pu atteindre leur seuil à 0,155 pouce (3,94 mm). Le temps de réponse ayant
varié de façon semblable pour les deux capteurs en fonction de l’entrefer, on peut en conclure
qu’ils étaient placés de façon équidistante dans le champ magnétique. Cet essai montre par
ailleurs qu’une augmentation de 0,050 pouce (1,27 mm) de l’entrefer peut correspondre à une
augmentation de 10 µs du temps de réponse.
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Un autre résultat de l’essai montre que, pour un même niveau de magnétisme, le temps de réponse
du capteur Honeywell varie de façon uniforme. Avec l’aimant utilisé, le temps de réponse du
capteur Honeywell augmente de 10 µs environ pour chaque augmentation de 0,025 pouce
(0,635 mm) de l’entrefer.
Conclusion
Des essais comparatifs portant sur la fiabilité et le temps de réponse présentés par le capteur à
effet Hall à verrouillage bipolaire SS460S Honeywell et cinq produits concurrents montrent que le
capteur Honeywell, non stabilisé par hacheur, fournit des résultats reproductibles avec un temps
de réponse inférieur de 10 à 20 µs à celui des produits concurrents stabilisés par hacheur, y
compris les modèles à haute sensibilité d’Allegro et Infineon. Dans certains cas, les échantillons
concurrents présentent un temps de réponse qui varie de 10 à 30 µs. Les essais indiquent que
la stabilisation par hacheur peut être à l’origine de problèmes de répétabilité dus à des variations
dans le déclenchement. Une fréquence de stabilisation par hacheur plus élevée peut résoudre ce
problème, comme le montrent les produits Allegro et Infineon. Même si les capteurs stabilisés par
hacheur ont une sensibilité élevée, ils présentent toujours un temps de réponse plus long.
Le niveau de sensibilité est fondé sur le positionnement du capteur par rapport à l’aimant, sur
l’entrefer et sur la puissance de l’aimant. Le changement d’état d’un capteur présentant une
reproductibilité élevée s’opère à la même position angulaire lorsque l’aimant en rotation passe
devant lui. Un tel capteur procure ainsi un temps de réponse homogène qui produira des mesures
angulaires très proches d’une même valeur. Une réponse tardive vis-à-vis de la cible aura
un effet négatif sur le rendement de la commutation du moteur. Toute erreur dans le point de
déclenchement du capteur à effet Hall réduira le couple du moteur, et par là même son rendement.
En outre, des essais de sensibilité à l’entrefer montrent que le capteur Honeywell, non stabilisé par
hacheur, surpasse le capteur Allegro et conserve un meilleur temps de réponse lorsque l’entrefer
augmente. Même si le modèle SS460S Honeywell présente une sensibilité magnétique typique de
30 gauss (55 gauss maximum), qui est inférieure à celle du capteur Allegro, il surpasse le capteur
A1220EUA Allegro pour toutes les valeurs d’entrefer.
Un temps de réponse plus court à une variation du champ magnétique procure une plus grand
rendement de la commutation d’un moteur à courant continu sans balais. Si un capteur déclenche
à un niveau de champ magnétique différent de la valeur requise en raison d’un temps de réponse
trop important, des erreurs de précision sont à craindre.
Les capteurs à effet Hall à verrouillage d’Honeywell offrent une bonne répétabilité et un temps de
réponse plus court, notamment parce qu’ils sont non stabilisés par hacheur. Ces caractéristiques
contribuent à l’amélioration du rendement des moteurs à courant continu sans balais.
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