多圈位置传感器提供真正的上电功能，零功耗

作者：Stephen Bradshaw， Christian Nau， and Enda Nicholl

本文概述了当前用于实现真上电（TPO）多圈传感功能的方法，并介绍了一种新的简化解决方案，该解决方案将重塑工业和汽车位置传感市场。简化的系统将使具有或没有磁性系统设计经验的设计人员能够取代笨重且昂贵的现有解决方案。

介绍

位置传感器和编码器在汽车和工业应用中无处不在，在这些应用中，始终了解系统的位置至关重要。但是，现有的位置传感器和编码器只能提供单圈或360°TPO位置信息。需要多次旋转或更宽测量范围的TPO位置信息的系统通常包含一个备用电源，用于在意外断电后跟踪和记忆单圈传感器的多次旋转，或在键关闭或断电期间跟踪多次旋转。或者，可以在系统中添加齿轮减速机构，将多次旋转减少到单圈，并与单圈传感器结合使用，以查找TPO多圈位置信息。这些解决方案既昂贵又笨重，对于电池备份系统，需要定期维护合同。

旋转和线性编码器是用于系统设计人员需要确保机械系统位置始终已知闭环控制的应用的关键设备，即使在正常工作周期或意外断电之后也是如此。系统设计人员面临的挑战是确保即使在断电后TPO位置也可用。如果系统状态丢失，则需要一个冗长且通常复杂的过程将系统重置为已知状态。

现有解决方案

现代工厂越来越依赖机器人和协作机器人来缩短周期时间、提高工厂产量和提高效率。与标准机器人、协作机器人和其他自动化装配设备相关的主要成本和低效率之一是，在运行时突然断电后，重新定位和启动上电所需的停机时间。由此造成的停机时间和生产力损失既昂贵又效率低下。虽然这个问题可以通过备用电池、存储器和单圈传感器来解决，但这些解决方案有其局限性。电池组的使用寿命有限，需要维护/服务合同来管理电池更换。在某些存在爆炸危险的环境中，电池组中可以存储的最大能量是有限的。储能的减少导致更短的维护周期，其中必须更频繁地更换电池。

备用电池的替代方案是使用韦根线能量收集模块。这些模块使用经过特殊处理的导线，其中外壳的矫顽力远高于内芯的矫顽力。当磁场旋转时，不同的矫顽力会在器件输出端产生电压尖峰。尖峰可用于为外部电路供电，并记录铁电随机存取存储器（FRAM）中的匝数。ADI公司开发的磁性多圈存储器无需外部电源即可记录外部磁场的旋转次数。这导致系统尺寸和成本降低。

多圈传感器技术

磁性多圈传感器的核心是由GMR元件的多根纳米线组成的巨型磁阻（GMR）材料的螺旋。传感器的工作原理基于形状各向异性和在存在外部磁场的情况下在畴壁发生器中生成畴壁。当外部磁场旋转时，畴壁通过连接到畴壁发生器的窄螺旋轨道（纳米线）传播，如图1所示。

图1.操作的多圈原理。
 

图2.ADMT4000多圈传感器框图

当畴壁穿过螺旋腿结构时，每个螺旋腿单元的状态都会发生变化。由于元件由GMR材料制成，因此可以通过测量其电阻来确定每个元件的状态。传感器仅依靠外部磁场，转数计数操作不需要额外的备用电源或能量收集技术。当传感器重新通电时，无需进一步的用户操作或系统重置即可读取圈数状态。

简化系统设计的组合技术解决方案

ADMT4000的顶层框图如图2所示，将前面描述的GMR多圈传感器与高精度AMR角度传感器和集成信号调理IC相结合，提供能够记录的解决方案 46 圈或 16，560° 运动，典型精度为 ±0.25°。集成信号调理IC支持进一步增强系统，以支持谐波校准，从而消除应用中由于磁和机械公差引起的误差。ADMT4000通过SPI或SENT接口提供绝对46圈（0°至16，560°）数字输出。ADMT4000位于安装在旋转轴上的偶极子磁铁对面。

ADI正在准备一款磁性参考设计，使磁性设计能力很少或没有磁性设计能力的用户能够在其应用中轻松采用ADMT4000。除了磁芯磁体设计外，该参考设计还将提供对杂散磁场的抗扰度和鲁棒性，这将使客户能够在恶劣环境中实施传感器。杂散场可以从许多源产生，其中电流在导线中传输，特别是当靠近电动机或执行器使用时。

ADMT4000功能在许多工业应用中都很有价值，包括在断电或断电期间跟踪机器人和协作机器人手臂关节位置。其他工业应用包括工业自动化、机床或医疗设备应用中x-y工作台的绝对跟踪和TPO跟踪。其他旋转到线性应用包括但不限于线圈、卷筒、线轴、卷轴、葫芦、绞车和升降机的转数，或在断电或停电期间进行运动跟踪。

此外，ADMT4000提供的TPO位置检测对于汽车应用具有重要价值，包括但不限于变速箱执行器、电动助力转向（EPS），包括线控转向、车位锁执行器、其他通用执行器和安全带卷收器。

ADMT4000的尺寸、成本和工作温度范围使其可用于广泛的应用，包括汽车和工业领域的安全关键应用。汽车安全关键型应用符合 ISO 26262 标准和特定的汽车安全完整性等级 （ASIL）。ADMT4000将以ASIL-QM或ASIL-B（D）的形式提供，以适应需要和不需要高级ASIL或SIL功能的应用。

结论

ADMT4000和首款集成式TPO多圈位置传感器旨在显著降低系统设计的复杂性和工作量，最终实现更小、更轻、更低成本的解决方案。ADMT4000的易用性将使具有或不具有磁性设计能力的设计人员能够为当前应用添加新的和改进的功能，并为许多新应用打开大门。

审核编辑：Gt