具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器

本文概述了當(dāng)前用于實現(xiàn)真通電(TPO)多圈傳感功能的方法，并介紹了一種將重塑工業(yè)與汽車位置傳感市場的簡化新解決方案。無論是否具有磁系設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計者都可以使用這個簡化的系統(tǒng)來替代笨重且昂貴的傳統(tǒng)解決方案。

簡介

位置傳感器和編碼器在汽車和工業(yè)應(yīng)用中無處不在，在這些應(yīng)用中，自始至終都知道系統(tǒng)的位置是至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有位置傳感器和編碼器只能提供單圈或360° TPO的位置信息。需要多次旋轉(zhuǎn)或更寬測量范圍的TPO位置信息的系統(tǒng)通常集成備用電源，用于在意外斷電后跟蹤并記憶單圈傳感器的多次旋轉(zhuǎn)，或是關(guān)斷或斷電期間跟蹤多圈運(yùn)動。或者，可向系統(tǒng)中增設(shè)齒輪減速機(jī)構(gòu)，將多次旋轉(zhuǎn)減少至單圈，并與單圈傳感器結(jié)合使用，用以查找TPO的多圈位置信息，這些解決方案均昂貴且笨重。并且對于電池備用系統(tǒng)，還需要定期維護(hù)合同。

旋轉(zhuǎn)編碼器和線性編碼器是應(yīng)用中使用的關(guān)鍵設(shè)備，在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計者需要確保機(jī)械系統(tǒng)的位置始終為閉環(huán)控制所知，即使是在正常運(yùn)行周期的一部分或意外斷電之后。系統(tǒng)設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)是確保即使在斷電后也能獲取TPO位置。如果系統(tǒng)狀態(tài)丟失，則需要通過一個冗長且往往復(fù)雜的過程將系統(tǒng)重置為已知狀態(tài)。

傳統(tǒng)解決方案

現(xiàn)代工廠越來越依賴機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人來縮短生產(chǎn)周期，并提高工廠吞吐量和效率。與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和其他自動化裝配設(shè)備相關(guān)的主要成本和低效的原因之一是在運(yùn)行過程中突然斷電后所需重新歸位并初始化電源的停機(jī)時間。由此導(dǎo)致的停機(jī)時間和生產(chǎn)力的損失代價高昂，而且運(yùn)行效率很低。雖然這個問題可以通過備用電池、存儲器和單圈傳感器解決，但這些解決方案都有局限性。電池包的使用壽命有限，需要通過維護(hù)/服務(wù)合同來管理電池更換。在某些存在爆炸風(fēng)險的環(huán)境中，電池包中可存儲的最大能量是有限的。儲能的減少導(dǎo)致維護(hù)周期縮短，必須更頻繁地更換電池。

備用電池的替代方案是使用Wiegand導(dǎo)線能量收集模塊。這些模塊使用經(jīng)過特殊處理的導(dǎo)線，其外殼磁感矯頑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)芯矯頑力。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時，不同的矯頑力在器件輸出端產(chǎn)生電壓尖峰。尖峰可用于為外部電路供電，并記錄鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)中的圈數(shù)。由ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲器不需要外部電源來記錄外部磁場的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。因而可以減小系統(tǒng)尺寸并降低生產(chǎn)成本。

多圈傳感器技術(shù)

磁性多圈傳感器的核心是由巨磁電阻(GMR)元件的多個納米線組成的螺旋狀GMR材料。傳感器的工作原理基于形狀各向異性以及在外部磁場的情況下在疇壁生成器中生成的疇壁。當(dāng)外部磁場旋轉(zhuǎn)時，疇壁通過附著于疇壁生成器的窄螺旋軌道（納米線）傳播，如圖1所示。

圖1.多圈工作原理。

圖2.ADMT4000多圈傳感器方框圖。

當(dāng)疇壁通過螺旋支腿結(jié)構(gòu)時，每個螺旋支腿元件的狀態(tài)都會發(fā)生變化。由于這些元件由GMR材料制成，可通過測量其電阻來確定每個元件的狀態(tài)。該傳感器僅依賴于外部磁場，計算旋轉(zhuǎn)計算操作不需要額外的備用電源或能量收集技術(shù)。當(dāng)傳感器重新通電時，無需進(jìn)一步的用戶操作或系統(tǒng)重置可直接讀取圈數(shù)狀態(tài)。

可簡化系統(tǒng)設(shè)計的組合技術(shù)解決方案

ADMT4000的頂層方框圖（如圖2所示）將上述GMR多圈傳感器與高精度AMR角度傳感器和集成信號調(diào)理IC結(jié)合， 提供一種能夠以±0.25°的典型精度記錄46圈或16560°運(yùn)動的解決方案。集成信號調(diào)理IC可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)功能以支持諧波校準(zhǔn)，從而消除應(yīng)用中因磁性和機(jī)械公差所導(dǎo)致的錯誤。ADMT4000通過SPI或SENT接口提供絕對的46圈（0°至16560°）數(shù)字輸出。ADMT4000位于安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的偶極磁鐵對面，如圖3所示。

圖3.ADMT4000典型應(yīng)用裝配。

ADI公司正在準(zhǔn)備一種磁性參考設(shè)計，使幾乎沒有磁性設(shè)計能力的用戶能夠在其應(yīng)用中輕松采用 ADMT4000?？沙舜判驹O(shè)計之外，該參考設(shè)計還將提供對雜散磁場的抗擾性和魯棒性，使客戶能夠在惡劣環(huán)境中部署該傳感器。產(chǎn)生雜散磁場的干擾源很多，尤以靠近電動機(jī)或制動器旁帶電流的導(dǎo)線為甚。

ADMT4000的功能在許多工業(yè)應(yīng)用中都極具價值，包括發(fā)生停電或斷電時的機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)位置跟蹤（見圖4）。其他工業(yè)應(yīng)用包括在工業(yè)自動化、機(jī)床或醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中對x-y表進(jìn)行絕對和TPO跟蹤（如圖5所示）。其他旋轉(zhuǎn)到線性應(yīng)用包括但不限于通電時線圈、卷筒、線軸、卷軸、起重機(jī)、絞車和升降機(jī)的圈數(shù)計算（圖6）或停電或斷電時的運(yùn)動跟蹤。

圖4.機(jī)器人/協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用中的ADMT4000。

圖5.旋轉(zhuǎn)到線性致動器應(yīng)用中的ADMT4000。

圖6.拉線編碼器應(yīng)用。

此外，ADMT4000提供的TPO位置傳感對于汽車應(yīng)用而言具有重要價值，包括但不限于變速箱制動器（圖5）、電動助力轉(zhuǎn)向器包括線控轉(zhuǎn)向器(EPS)（圖7）、停車鎖致動器、其他通用致動器和安全帶卷收器（圖8）。

圖7.線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用。

圖8.安全帶卷收器應(yīng)用。

ADMT4000的尺寸、成本和工作溫度范圍使其得到了廣泛應(yīng)用，包括汽車和工業(yè)領(lǐng)域的安全關(guān)鍵應(yīng)用。汽車安全關(guān)鍵應(yīng)用符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)和特定的汽車安全完整性等級(ASIL)。ADMT4000將作為ASIL-QM或ASIL-B(D)提供，以適應(yīng)需要和不需要高級ASIL或SIL功能的應(yīng)用。

結(jié)論

ADMT4000和首款集成式TPO多圈位置傳感器旨在顯著降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和工作量，最終實現(xiàn)尺寸更小、重量更輕、成本更低的解決方案。ADMT4000的易用性將使無論是否具備磁性設(shè)計能力的設(shè)計人員均能夠為當(dāng)前應(yīng)用添加或改進(jìn)現(xiàn)有功能，并為許多新應(yīng)用打開大門。

來源：ADI

作者：Stephen Bradshaw, Christian Nau, 和 Enda Nicholl