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(shí)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(chǎng)的簡(jiǎn)化新解決方案。無(wú)論是否具有磁系設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)者都可以使用這個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)來替代笨重且昂貴的傳統(tǒng)解決方案。

簡(jiǎn)介

位置傳感器和編碼器在汽車和工業(yè)應(yīng)用中無(wú)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(cè)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(dòng)?；蛘?，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(duì)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(jì)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(jì)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(gè)冗長(zhǎng)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(dòng)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(shí)間。由此導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)力的損失代價(jià)高昂，而且運(yùn)行效率很低。雖然這個(gè)問題可以通過備用電池、存儲(chǔ)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(xiǎn)的環(huán)境中，電池包中可存儲(chǔ)的最大能量是有限的。儲(chǔ)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(chǔ)器(FRAM)中的圈數(shù)。由ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器不需要外部電源來記錄外部磁場(chǎng)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(gè)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(chǎng)的情況下在疇壁生成器中生成的疇壁。當(dāng)外部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，每個(gè)螺旋支腿元件的狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。由于這些元件由GMR材料制成，可通過測(cè)量其電阻來確定每個(gè)元件的狀態(tài)。該傳感器僅依賴于外部磁場(chǎng)，計(jì)算旋轉(zhuǎn)計(jì)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(shí)，無(wú)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)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(dòng)的解決方案。集成信號(hào)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(cuò)誤。ADMT4000通過SPI或SENT接口提供絕對(duì)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(duì)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(jì)，使幾乎沒有磁性設(shè)計(jì)能力的用戶能夠在其應(yīng)用中輕松采用 ADMT4000。可除了磁芯設(shè)計(jì)之外，該參考設(shè)計(jì)還將提供對(duì)雜散磁場(chǎng)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(chǎng)的干擾源很多，尤以靠近電動(dòng)機(jī)或制動(dòng)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(jià)值，包括發(fā)生停電或斷電時(shí)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(dòng)化、機(jī)床或醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中對(duì)x-y表進(jìn)行絕對(duì)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(shí)線圈、卷筒、線軸、卷軸、起重機(jī)、絞車和升降機(jī)的圈數(shù)計(jì)算（圖6）或停電或斷電時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)于汽車應(yīng)用而言具有重要價(jià)值，包括但不限于變速箱制動(dòng)器（圖5）、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器包括線控轉(zhuǎn)向器(EPS)（圖7）、停車鎖致動(dòng)器、其他通用致動(dòng)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(jí)(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(jí)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(jì)的復(fù)雜性和工作量，最終實(shí)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(wú)論是否具備磁性設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)人員均能夠?yàn)楫?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