多圈位置傳感器提供真正的上電功能，零功耗

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(jiǎn)化解決方案，該解決方案將重塑工業(yè)和汽車(chē)位置傳感市場(chǎng)。簡(jiǎn)化的系統(tǒng)將使具有或沒(méi)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(chē)和工業(yè)應(yīng)用中無(wú)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(cè)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)。或者，可以在系統(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(duì)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(zhǎng)且通常復(fù)雜的過(guò)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(lái)越依賴(lài)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人來(lái)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(wèn)題可以通過(guò)備用電池、存儲(chǔ)器和單圈傳感器來(lái)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(lái)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(chǔ)的最大能量是有限的。儲(chǔ)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(guò)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(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，不同的矯頑力會(huì)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）中的匝數(shù)。ADI公司開(kāi)發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器無(wú)需外部電源即可記錄外部磁場(chǎng)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(chǎng)的情況下在疇壁發(fā)生器中生成疇壁。當(dāng)外部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，疇壁通過(guò)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(guò)螺旋腿結(jié)構(gòu)時(shí)，每個(gè)螺旋腿單元的狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。由于元件由GMR材料制成，因此可以通過(guò)測(cè)量其電阻來(lái)確定每個(gè)元件的狀態(tài)。傳感器僅依靠外部磁場(chǎng)，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(wú)需進(jìn)一步的用戶(hù)操作或系統(tǒng)重置即可讀取圈數(shù)狀態(tài)。

簡(jiǎn)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(hào)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(hào)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(guò)SPI或SENT接口提供絕對(duì)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(duì)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(méi)有磁性設(shè)計(jì)能力的用戶(hù)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(duì)雜散磁場(chǎng)的抗擾度和魯棒性，這將使客戶(hù)能夠在惡劣環(huán)境中實(shí)施傳感器。雜散場(chǎng)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(tái)的絕對(duì)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(chē)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(cè)對(duì)于汽車(chē)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(chē)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(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的安全關(guān)鍵應(yīng)用。汽車(chē)安全關(guān)鍵型應(yīng)用符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)和特定的汽車(chē)安全完整性等級(jí) （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(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)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(kāi)大門(mén)。

審核編輯：Gt