Comparaison de capteurs à effet Hall à verrouillage bipolaire avec et sans stabilisation par hacheur

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1 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. Honeywell A SS460S 2. Micronas B HAL202jQ-K 3. Melexis B US1881LUA 4. Diodes B AH3761-PG-B 5. Allegro B A1220EUA 6. Infineon B 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. Page 1 / 8

2 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. Page 2 / 8

3 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 Sens anti-horaire 3,336 7,11 10,831 14,647 18, Sens horaire 3,468 7,271 10,991 14,751 18,527 front réel estimé 3,402 7, ,911 14,699 18,453 angle de transition 0,132 0,161 0,16 0,104 0, Sens anti-horaire 3,345 7,107 10,838 14,64 18, 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, Sens anti-horaire 3,343 7,105 10,818 14,594 18, Sens horaire 3,476 7,273 10,996 14,775 18,529 front réel estimé 3,4095 7,189 10,907 14, ,443 angle de transition 0,133 0,168 0,178 0,181 0, Sens anti-horaire 3,285 7,065 10,788 14,528 18, Sens horaire 3,51 7,29 11,017 14,825 18,542 front réel estimé 3,3975 7, , , ,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. Page 3 / 8

4 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 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. Page 4 / 8

5 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. Page 5 / 8

6 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 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. Page 6 / 8

7 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 0,020 po (0,508 mm) 0,100 po (2,54 mm) 0,050 po (1,27 mm) 0,125 po (3,175 mm) 0,075 po (1,905 mm) 0,150 po (3,81 mm) 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. Page 7 / 8

8 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. Page 8 / 8

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