一、簡(jiǎn)介

ADMT4000 是一種磁轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，即使在設(shè)備斷電時(shí)也能夠記錄磁系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。通電時(shí)可以查詢?cè)撎准?，以?bào)告系統(tǒng)的絕對(duì)位置。絕對(duì)位置通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 報(bào)告。ADMT4000 最多可計(jì)數(shù) 46 圈外部磁場(chǎng)，以順時(shí)針 (CW) 方向遞增絕對(duì)位置計(jì)數(shù)。

該套件包括三個(gè)磁傳感器，一個(gè)用于計(jì)數(shù)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)次數(shù)的巨磁電阻（GMR）轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)傳感器，一個(gè) GMR 象限檢測(cè)傳感器和一個(gè)各向異性磁阻（AMR）角度傳感器。AMR 角度傳感器與 GMR 象限檢測(cè)傳感器結(jié)合使用，可確定系統(tǒng)在 360° 范圍內(nèi)的絕對(duì)位置。將 GMR 轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)傳感器輸出與 AMR 角度傳感器輸出相結(jié)合，該套件就能以高角度精度報(bào)告系統(tǒng)的位置。

產(chǎn)品特色：

真正通電多圈計(jì)數(shù)器

角度傳感器 ±0.25°

SPI 接口

欠壓和過(guò)壓檢測(cè)

二、正文

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)?；蛘撸上蛳到y(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(guò)一個(gè)冗長(zhǎng)且往往復(fù)雜的過(guò)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(lái)越依賴機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人來(lái)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(guò)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(wèn)題可以通過(guò)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(guò)維護(hù)/服務(wù)合同來(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)的磁性多圈存儲(chǔ)器不需要外部電源來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)測(cè)量其電阻來(lái)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)。

磁性參考設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)出理想的磁體和屏蔽需要仔細(xì)了解系統(tǒng)要求。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)要求越寬松，達(dá)到目標(biāo)規(guī)格所需的磁體解決方案尺寸越大、成本越高。ADI正在開(kāi)發(fā)一系列滿足各種機(jī)械、雜散場(chǎng)和溫度要求的磁性參考設(shè)計(jì)，可供 ADMT4000 真正上電多圈傳感器的客戶使用。ADI開(kāi)發(fā)的第一個(gè)設(shè)計(jì)涵蓋了公差相對(duì)寬松的系統(tǒng)：傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm，傳感器到旋轉(zhuǎn)軸的總位移為±0.6 mm，工作溫度范圍為–40?C至+150?C，雜散磁場(chǎng)屏蔽衰減大于90%。

磁性元件注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)磁體時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵注意事項(xiàng)，下一節(jié)內(nèi)容概述了在為GMR傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要方面。

磁體材料

GMR傳感器在定義的磁窗口（16 mT至31 mT）1內(nèi)運(yùn)行；此外，最大和最小工作范圍具有熱系數(shù)(TC)，如圖1中的紅色跡線所示。選擇TC與GMR傳感器匹配的磁體材料最大限度地提高工作磁場(chǎng)的允許變化范圍。這有助于增大磁體強(qiáng)度的變化和/或磁體相對(duì)于傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GMR傳感器，與釤鈷(SmCo)或釹鐵硼(NeFeB)等材料相比，其工作溫度范圍有限。

圖3.工作窗口與典型SmCo磁體的熱系數(shù)比較。

了解所選磁性材料的TC以及由于制造差異而導(dǎo)致的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化后，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度。然后可以在室溫下進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，同時(shí)系統(tǒng)將在整個(gè)溫度范圍內(nèi)按預(yù)期運(yùn)行的可信度高。在圖1中，綠色實(shí)線代表磁體根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)在GMR傳感器的活動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度窗口。由于磁性材料制造工藝的差異，該窗口小于GMR傳感器的最大和最小操作窗口。綠色虛線表示由于>5%的典型制造差異而產(chǎn)生的最大和最小預(yù)期磁場(chǎng)。

磁體仿真

機(jī)械操作環(huán)境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用于設(shè)計(jì)磁體的仿真有兩種類型：解析仿真或有限元分析(FEA)。解析仿真使用被仿真磁體的整體參數(shù)（尺寸、材料）求解出磁場(chǎng)，除了假設(shè)磁體在空氣中運(yùn)行之外，不考慮周圍環(huán)境。這是一種快速的計(jì)算，在沒(méi)有相鄰鐵磁材料時(shí)非常有用。FEA可以對(duì)較大磁性系統(tǒng)中含鐵材料的影響進(jìn)行建模，在將磁體與雜散磁場(chǎng)屏蔽或靠近磁體或傳感器的鐵磁材料組合時(shí)，此操作至關(guān)重要。FEA是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，因此其通常將解析分析中的基本磁體設(shè)計(jì)作為起點(diǎn)。FEA用于對(duì)磁體和雜散場(chǎng)屏蔽的參考設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。

磁鐵設(shè)計(jì)特性

仿真產(chǎn)生的參考設(shè)計(jì)磁體由一個(gè)帶有集成鋼雜散場(chǎng)屏蔽的SmCo磁體組成，如圖2所示。該磁體采用注塑成型設(shè)計(jì)，因此能夠批量生產(chǎn)。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產(chǎn)復(fù)雜的形狀而很常見(jiàn)，并且廣泛用于汽車和工業(yè)應(yīng)用。該組件根據(jù)設(shè)計(jì)可與直徑為9毫米的軸形成過(guò)盈配合；然而，可以對(duì)襯套進(jìn)行修改，以便連接到不同尺寸的軸。

圖4.參考設(shè)計(jì)磁體。

磁體表征

我們對(duì)磁體組件進(jìn)行了仔細(xì)的表征，以展示GMR傳感器的強(qiáng)大磁性解決方案。表征的關(guān)鍵是能夠繪制在擴(kuò)展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度在受控環(huán)境中的詳細(xì)圖。表征成功的關(guān)鍵在于充分了解和校準(zhǔn)所用的磁場(chǎng)探頭。圖3顯示了在兩個(gè)不同氣隙下測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度的示例，在整個(gè)工作溫度范圍和氣隙范圍內(nèi)重復(fù)這些測(cè)量非常耗時(shí)，但此操作對(duì)于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運(yùn)行至關(guān)重要。

圖5.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場(chǎng)分布。

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(guò)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6.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(méi)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?？沙舜判驹O(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(jiàn)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7.機(jī)器人/協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用中的ADMT4000。

圖8.旋轉(zhuǎn)到線性致動(dòng)器應(yīng)用中的ADMT4000。

圖9.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10.線控轉(zhuǎn)向應(yīng)用。

圖11.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(kāi)大門(mén)。

三、參考資料

用戶指南

1、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395454

2、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395455

3、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395456

白皮書(shū)

1、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395457

數(shù)據(jù)手冊(cè)

1、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395458

應(yīng)用筆記

1、https://share.eepw.com.cn/share/download/id/395459

技術(shù)文章

1、巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設(shè)計(jì)

2、具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)