斷電也能記錄數據！ADI ADMT4000磁轉數傳感器

一、簡介

ADMT4000 是一種磁轉數傳感器，即使在設備斷電時也能夠記錄磁系統的旋轉次數。通電時可以查詢該套件，以報告系統的絕對位置。絕對位置通過串行外設接口 (SPI) 報告。ADMT4000 最多可計數 46 圈外部磁場，以順時針 (CW) 方向遞增絕對位置計數。

該套件包括三個磁傳感器，一個用于計數系統旋轉次數的巨磁電阻（GMR）轉數計數傳感器，一個 GMR 象限檢測傳感器和一個各向異性磁阻（AMR）角度傳感器。AMR 角度傳感器與 GMR 象限檢測傳感器結合使用，可確定系統在 360° 范圍內的絕對位置。將 GMR 轉數計數傳感器輸出與 AMR 角度傳感器輸出相結合，該套件就能以高角度精度報告系統的位置。

產品特色：

真正通電多圈計數器

角度傳感器 ±0.25°

SPI 接口

欠壓和過壓檢測

二、正文

位置傳感器和編碼器在汽車和工業應用中無處不在，在這些應用中，自始至終都知道系統的位置是至關重要。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，或是關斷或斷電期間跟蹤多圈運動。或者，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。

旋轉編碼器和線性編碼器是應用中使用的關鍵設備，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。如果系統狀態丟失，則需要通過一個冗長且往往復雜的過程將系統重置為已知狀態。

傳統解決方案

現代工廠越來越依賴機器人和協作機器人來縮短生產周期，并提高工廠吞吐量和效率。與標準機器人、協作機器人和其他自動化裝配設備相關的主要成本和低效的原因之一是在運行過程中突然斷電后所需重新歸位并初始化電源的停機時間。由此導致的停機時間和生產力的損失代價高昂，而且運行效率很低。雖然這個問題可以通過備用電池、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，需要通過維護/服務合同來管理電池更換。在某些存在爆炸風險的環境中，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導線能量收集模塊。這些模塊使用經過特殊處理的導線，其外殼磁感矯頑力遠遠高于內芯矯頑力。當磁場旋轉時，不同的矯頑力在器件輸出端產生電壓尖峰。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公司開發的磁性多圈存儲器不需要外部電源來記錄外部磁場的旋轉次數。因而可以減小系統尺寸并降低生產成本。

多圈傳感器技術

磁性多圈傳感器的核心是由巨磁電阻(GMR)元件的多個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的情況下在疇壁生成器中生成的疇壁。當外部磁場旋轉時，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。

當疇壁通過螺旋支腿結構時，每個螺旋支腿元件的狀態都會發生變化。由于這些元件由GMR材料制成，可通過測量其電阻來確定每個元件的狀態。該傳感器僅依賴于外部磁場，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。當傳感器重新通電時，無需進一步的用戶操作或系統重置可直接讀取圈數狀態。

磁性參考設計目標

設計出理想的磁體和屏蔽需要仔細了解系統要求。一般來說，系統要求越寬松，達到目標規格所需的磁體解決方案尺寸越大、成本越高。ADI正在開發一系列滿足各種機械、雜散場和溫度要求的磁性參考設計，可供 ADMT4000 真正上電多圈傳感器的客戶使用。ADI開發的第一個設計涵蓋了公差相對寬松的系統：傳感器到磁鐵的距離為2.45 mm ± 1 mm，傳感器到旋轉軸的總位移為±0.6 mm，工作溫度范圍為–40?C至+150?C，雜散磁場屏蔽衰減大于90%。

磁性元件注意事項

設計磁體時，需要考慮一些關鍵注意事項，下一節內容概述了在為GMR傳感器進行設計時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內運行；此外，最大和最小工作范圍具有熱系數(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的允許變化范圍。這有助于增大磁體強度的變化和/或磁體相對于傳感器的距離公差變化。鐵氧體等低成本磁性材料的TC遠遠高于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磁體的熱系數比較。

了解所選磁性材料的TC以及由于制造差異而導致的磁場強度變化后，即可確定室溫(25°C)下所需的磁場強度。然后可以在室溫下進行設計仿真，同時系統將在整個溫度范圍內按預期運行的可信度高。在圖1中，綠色實線代表磁體根據設計應在GMR傳感器的活動區域范圍內產生的磁場強度窗口。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生的最大和最小預期磁場。

磁體仿真

機械操作環境中磁體的仿真可以采取不同的形式。通常用于設計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（尺寸、材料）求解出磁場，除了假設磁體在空氣中運行之外，不考慮周圍環境。這是一種快速的計算，在沒有相鄰鐵磁材料時非常有用。FEA可以對較大磁性系統中含鐵材料的影響進行建模，在將磁體與雜散磁場屏蔽或靠近磁體或傳感器的鐵磁材料組合時，此操作至關重要。FEA是一個耗時的過程，因此其通常將解析分析中的基本磁體設計作為起點。FEA用于對磁體和雜散場屏蔽的參考設計進行仿真。

磁鐵設計特性

仿真產生的參考設計磁體由一個帶有集成鋼雜散場屏蔽的SmCo磁體組成，如圖2所示。該磁體采用注塑成型設計，因此能夠批量生產。SmCo磁體的注塑成型因能夠生產復雜的形狀而很常見，并且廣泛用于汽車和工業應用。該組件根據設計可與直徑為9毫米的軸形成過盈配合；然而，可以對襯套進行修改，以便連接到不同尺寸的軸。

圖4.參考設計磁體。

磁體表征

我們對磁體組件進行了仔細的表征，以展示GMR傳感器的強大磁性解決方案。表征的關鍵是能夠繪制在擴展的磁鐵到傳感器距離窗口范圍內磁場強度在受控環境中的詳細圖。表征成功的關鍵在于充分了解和校準所用的磁場探頭。圖3顯示了在兩個不同氣隙下測量的磁場強度的示例，在整個工作溫度范圍和氣隙范圍內重復這些測量非常耗時，但此操作對于了解磁體性能以確保其在所需條件下正常運行至關重要。

圖5.氣隙為1.42 mm和2.45 mm的磁場分布。

可簡化系統設計的組合技術解決方案

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°運動的解決方案。集成信號調理IC可進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6.ADMT4000典型應用裝配。

ADI公司正在準備一種磁性參考設計，使幾乎沒有磁性設計能力的用戶能夠在其應用中輕松采用 ADMT4000。可除了磁芯設計之外，該參考設計還將提供對雜散磁場的抗擾性和魯棒性，使客戶能夠在惡劣環境中部署該傳感器。產生雜散磁場的干擾源很多，尤以靠近電動機或制動器旁帶電流的導線為甚。

ADMT4000的功能在許多工業應用中都極具價值，包括發生停電或斷電時的機器人和協作機器人手臂關節位置跟蹤（見圖4）。其他工業應用包括在工業自動化、機床或醫療設備應用中對x-y表進行絕對和TPO跟蹤（如圖5所示）。其他旋轉到線性應用包括但不限于通電時線圈、卷筒、線軸、卷軸、起重機、絞車和升降機的圈數計算（圖6）或停電或斷電時的運動跟蹤。

圖7.機器人/協作機器人應用中的ADMT4000。

圖8.旋轉到線性致動器應用中的ADMT4000。

圖9.拉線編碼器應用。

此外，ADMT4000提供的TPO位置傳感對于汽車應用而言具有重要價值，包括但不限于變速箱制動器（圖5）、電動助力轉向器包括線控轉向器(EPS)（圖7）、停車鎖致動器、其他通用致動器和安全帶卷收器（圖8）。

圖10.線控轉向應用。

圖11.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，包括汽車和工業領域的安全關鍵應用。汽車安全關鍵應用符合ISO 26262標準和特定的汽車安全完整性等級(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降低系統設計的復雜性和工作量，最終實現尺寸更小、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現有功能，并為許多新應用打開大門。

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

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

數據手冊

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

應用筆記

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

技術文章

1、巨磁阻多圈位置傳感器的磁體設計

2、具有真正上電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)