作者：Stephen Bradshaw， Christian Nau， and Enda Nicholl

本文概述了當(dāng)前用于實(shí)現(xiàn)真上電（TPO）多圈傳感功能的方法，并介紹了一種新的簡化解決方案，該解決方案將重塑工業(yè)和汽車位置傳感市場。簡化的系統(tǒng)將使具有或沒有磁性系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員能夠取代笨重且昂貴的現(xiàn)有解決方案。

介紹

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，始終了解系統(tǒng)的位置至關(guān)重要。但是，現(xiàn)有的位置傳感器和編碼器只能提供單圈或360°TPO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)通常包含一個(gè)備用電源，用于在意外斷電后跟蹤和記憶單圈傳感器的多次旋轉(zhuǎn)，或在鍵關(guān)閉或斷電期間跟蹤多次旋轉(zhuǎn)?；蛘撸梢栽谙到y(tǒng)中添加齒輪減速機(jī)構(gòu)，將多次旋轉(zhuǎn)減少到單圈，并與單圈傳感器結(jié)合使用，以查找TPO多圈位置信息。這些解決方案既昂貴又笨重，對于電池備份系統(tǒng)，需要定期維護(hù)合同。

旋轉(zhuǎn)和線性編碼器是用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要確保機(jī)械系統(tǒng)位置始終已知閉環(huán)控制的應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)備，即使在正常工作周期或意外斷電之后也是如此。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是確保即使在斷電后TPO位置也可用。如果系統(tǒng)狀態(tài)丟失，則需要一個(gè)冗長且通常復(fù)雜的過程將系統(tǒng)重置為已知狀態(tài)。

現(xiàn)有解決方案

現(xiàn)代工廠越來越依賴機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人來縮短周期時(shí)間、提高工廠產(chǎn)量和提高效率。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)的主要成本和低效率之一是，在運(yùn)行時(shí)突然斷電后，重新定位和啟動(dòng)上電所需的停機(jī)時(shí)間。由此造成的停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)力損失既昂貴又效率低下。雖然這個(gè)問題可以通過備用電池、存儲器和單圈傳感器來解決，但這些解決方案有其局限性。電池組的使用壽命有限，需要維護(hù)/服務(wù)合同來管理電池更換。在某些存在爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，電池組中可以存儲的最大能量是有限的。儲能的減少導(dǎo)致更短的維護(hù)周期，其中必須更頻繁地更換電池。

備用電池的替代方案是使用韋根線能量收集模塊。這些模塊使用經(jīng)過特殊處理的導(dǎo)線，其中外殼的矯頑力遠(yuǎn)高于內(nèi)芯的矯頑力。當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同的矯頑力會在器件輸出端產(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）中的匝數(shù)。ADI公司開發(fā)的磁性多圈存儲器無需外部電源即可記錄外部磁場的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。這導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸和成本降低。

多圈傳感器技術(shù)

磁性多圈傳感器的核心是由GMR元件的多根納米線組成的巨型磁阻（GMR）材料的螺旋。傳感器的工作原理基于形狀各向異性和在存在外部磁場的情況下在疇壁發(fā)生器中生成疇壁。當(dāng)外部磁場旋轉(zhuǎn)時(shí)，疇壁通過連接到疇壁發(fā)生器的窄螺旋軌道（納米線）傳播，如圖1所示。

圖1.操作的多圈原理。

圖2.ADMT4000多圈傳感器框圖

當(dāng)疇壁穿過螺旋腿結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)螺旋腿單元的狀態(tài)都會發(fā)生變化。由于元件由GMR材料制成，因此可以通過測量其電阻來確定每個(gè)元件的狀態(tài)。傳感器僅依靠外部磁場，轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)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)，無需進(jìn)一步的用戶操作或系統(tǒng)重置即可讀取圈數(shù)狀態(tài)。

簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組合技術(shù)解決方案

ADMT4000的頂層框圖如圖2所示，將前面描述的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相結(jié)合，提供能夠記錄的解決方案 46 圈或 16，560° 運(yùn)動(dòng)，典型精度為 ±0.25°。集成信號調(diào)理IC支持進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)，以支持諧波校準(zhǔn)，從而消除應(yīng)用中由于磁和機(jī)械公差引起的誤差。ADMT4000通過SPI或SENT接口提供絕對46圈（0°至16，560°）數(shù)字輸出。ADMT4000位于安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的偶極子磁鐵對面。

ADI正在準(zhǔn)備一款磁性參考設(shè)計(jì)，使磁性設(shè)計(jì)能力很少或沒有磁性設(shè)計(jì)能力的用戶能夠在其應(yīng)用中輕松采用ADMT4000。除了磁芯磁體設(shè)計(jì)外，該參考設(shè)計(jì)還將提供對雜散磁場的抗擾度和魯棒性，這將使客戶能夠在惡劣環(huán)境中實(shí)施傳感器。雜散場可以從許多源產(chǎn)生，其中電流在導(dǎo)線中傳輸，特別是當(dāng)靠近電動(dòng)機(jī)或執(zhí)行器使用時(shí)。

ADMT4000功能在許多工業(yè)應(yīng)用中都很有價(jià)值，包括在斷電或斷電期間跟蹤機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)位置。其他工業(yè)應(yīng)用包括工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)床或醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用中x-y工作臺的絕對跟蹤和TPO跟蹤。其他旋轉(zhuǎn)到線性應(yīng)用包括但不限于線圈、卷筒、線軸、卷軸、葫蘆、絞車和升降機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，或在斷電或停電期間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤。

此外，ADMT4000提供的TPO位置檢測對于汽車應(yīng)用具有重要價(jià)值，包括但不限于變速箱執(zhí)行器、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（EPS），包括線控轉(zhuǎn)向、車位鎖執(zhí)行器、其他通用執(zhí)行器和安全帶卷收器。

ADMT4000的尺寸、成本和工作溫度范圍使其可用于廣泛的應(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)鍵型應(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將以ASIL-QM或ASIL-B（D）的形式提供，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(jì)的復(fù)雜性和工作量，最終實(shí)現(xiàn)更小、更輕、更低成本的解決方案。ADMT4000的易用性將使具有或不具有磁性設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)楫?dāng)前應(yīng)用添加新的和改進(jìn)的功能，并為許多新應(yīng)用打開大門。

審核編輯：Gt