Stephen Bradshaw, Christian Nau, 和 Enda Nicholl

本文概述了當前用于實現真通電(TPO)多圈傳感功能的方法，并介紹了一種將重塑工業與汽車位置傳感市場的簡化新解決方案。無論是否具有磁系設計經驗，設計者都可以使用這個簡化的系統來替代笨重且昂貴的傳統解決方案。

簡介

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。

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5.旋轉到線性致動器應用中的ADMT4000。

圖6.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。

審核編輯：郭婷