【導讀】本文概述了當前用于實(shí)現真通電(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(chē)位置傳感市場(chǎng)的簡(jiǎn)化新解決方案。無(wú)論是否具有磁系設計經(jīng)驗，設計者都可以使用這個(gè)簡(jiǎn)化的系統來(lái)替代笨重且昂貴的傳統解決方案。
簡(jiǎn)介
位置傳感器和編碼器在汽車(chē)和工業(yè)應用中無(wú)處不在，在這些應用中，自始至終都知道系統的位置是至關(guān)重要。然而，現有位置傳感器和編碼器只能提供單圈或360° TPO的位置信息。需要多次旋轉或更寬測量范圍的TPO位置信息的系統通常集成備用電源，用于在意外斷電后跟蹤并記憶單圈傳感器的多次旋轉，或是關(guān)斷或斷電期間跟蹤多圈運動(dòng)?；蛘?，可向系統中增設齒輪減速機構，將多次旋轉減少至單圈，并與單圈傳感器結合使用，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，還需要定期維護合同。
旋轉編碼器和線(xiàn)性編碼器是應用中使用的關(guān)鍵設備，在這些應用中，系統設計者需要確保機械系統的位置始終為閉環(huán)控制所知，即使是在正常運行周期的一部分或意外斷電之后。系統設計者面臨的挑戰是確保即使在斷電后也能獲取TPO位置。如果系統狀態(tài)丟失，則需要通過(guò)一個(gè)冗長(cháng)且往往復雜的過(guò)程將系統重置為已知狀態(tài)。
傳統解決方案
現代工廠(chǎng)越來(lái)越依賴(lài)機器人和協(xié)作機器人來(lái)縮短生產(chǎn)周期，并提高工廠(chǎng)吞吐量和效率。與標準機器人、協(xié)作機器人和其他自動(dòng)化裝配設備相關(guān)的主要成本和低效的原因之一是在運行過(guò)程中突然斷電后所需重新歸位并初始化電源的停機時(shí)間。由此導致的停機時(shí)間和生產(chǎn)力的損失代價(jià)高昂，而且運行效率很低。雖然這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)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(guò)維護/服務(wù)合同來(lái)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。儲能的減少導致維護周期縮短，必須更頻繁地更換電池。
備用電池的替代方案是使用Wiegand導線(xiàn)能量收集模塊。這些模塊使用經(jīng)過(guò)特殊處理的導線(xiàn)，其外殼磁感矯頑力遠遠高于內芯矯頑力。當磁場(chǎng)旋轉時(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，并記錄鐵電隨機存取存儲器(FRAM)中的圈數。由ADI公司開(kāi)發(fā)的磁性多圈存儲器不需要外部電源來(lái)記錄外部磁場(chǎng)的旋轉次數。因而可以減小系統尺寸并降低生產(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(xiàn)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。當外部磁場(chǎng)旋轉時(shí)，疇壁通過(guò)附著(zhù)于疇壁生成器的窄螺旋軌道（納米線(xiàn)）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。
當疇壁通過(guò)螺旋支腿結構時(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(guò)測量其電阻來(lái)確定每個(gè)元件的狀態(tài)。該傳感器僅依賴(lài)于外部磁場(chǎng)，計算旋轉計算操作不需要額外的備用電源或能量收集技術(shù)。當傳感器重新通電時(shí)，無(wú)需進(jìn)一步的用戶(hù)操作或系統重置可直接讀取圈數狀態(tài)。
可簡(jiǎn)化系統設計的組合技術(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理IC結合， 提供一種能夠以±0.25°的典型精度記錄46圈或16560°運動(dòng)的解決方案。集成信號調理IC可進(jìn)一步增強系統功能以支持諧波校準，從而消除應用中因磁性和機械公差所導致的錯誤。ADMT4000通過(guò)SPI或SENT接口提供絕對的46圈（0°至16560°）數字輸出。ADMT4000位于安裝在旋轉軸上的偶極磁鐵對面，如圖3所示。
圖3.ADMT4000典型應用裝配。
ADI公司正在準備一種磁性參考設計，使幾乎沒(méi)有磁性設計能力的用戶(hù)能夠在其應用中輕松采用 ADMT4000?？沙舜判驹O計之外，該參考設計還將提供對雜散磁場(chǎng)的抗擾性和魯棒性，使客戶(hù)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)機或制動(dòng)器旁帶電流的導線(xiàn)為甚。
ADMT4000的功能在許多工業(yè)應用中都極具價(jià)值，包括發(fā)生停電或斷電時(shí)的機器人和協(xié)作機器人手臂關(guān)節位置跟蹤（見(jiàn)圖4）。其他工業(yè)應用包括在工業(yè)自動(dòng)化、機床或醫療設備應用中對x-y表進(jìn)行絕對和TPO跟蹤（如圖5所示）。其他旋轉到線(xiàn)性應用包括但不限于通電時(shí)線(xiàn)圈、卷筒、線(xiàn)軸、卷軸、起重機、絞車(chē)和升降機的圈數計算（圖6）或停電或斷電時(shí)的運動(dòng)跟蹤。
圖4.機器人/協(xié)作機器人應用中的ADMT4000。
圖5.旋轉到線(xiàn)性致動(dòng)器應用中的ADMT4000。
圖6.拉線(xiàn)編碼器應用。
此外，ADMT4000提供的TPO位置傳感對于汽車(chē)應用而言具有重要價(jià)值，包括但不限于變速箱制動(dòng)器（圖5）、電動(dòng)助力轉向器包括線(xiàn)控轉向器(EPS)（圖7）、停車(chē)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(xiàn)控轉向應用。
圖8.安全帶卷收器應用。
ADMT4000的尺寸、成本和工作溫度范圍使其得到了廣泛應用，包括汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的安全關(guān)鍵應用。汽車(chē)安全關(guān)鍵應用符合ISO 26262標準和特定的汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)。ADMT4000將作為ASIL-QM或ASIL-B(D)提供，以適應需要和不需要高級ASIL或SIL功能的應用。
結論
ADMT4000和首款集成式TPO多圈位置傳感器旨在顯著(zhù)降低系統設計的復雜性和工作量，最終實(shí)現尺寸更小、重量更輕、成本更低的解決方案。ADMT4000的易用性將使無(wú)論是否具備磁性設計能力的設計人員均能夠為當前應用添加或改進(jìn)現有功能，并為許多新應用打開(kāi)大門(mén)。
來(lái)源：ADI
作者：Stephen Bradshaw, Christian Nau, 和 Enda Nicholl
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