如何实现断电后的不间断位置追踪？

电子发烧友网报道（文/李宁远）在任何场景的位置传感应用里，位置传感器和编码器可以说是无处不在。不论是工业自动化设备的实时控制还是汽车的实时定位，现代设备依靠这些传感持续提供系统位置数据，而且越来越需要设备在断电情况下这些位置数据仍然能保持不间断。
 
位置信息的不间断输出
 
为了保证位置数据不中断，目前最常见的办法是利用位置传感器或编码器提供某个角度范围的真正通电的位置信息（True Power-On）。想要得到更宽的测量范围的TPO位置信息，系统需要使用一个备用电源来跟踪和记忆意外断电后单个传感器的多次旋转或跟踪多个转弯运动。也可以在设备中加齿轮减速，将多次旋转减速到单匝进行检测，再找到TPO多匝位置信息。
 
备用电源加内存加单匝传感的方案成本还是很高的，虽然这种办法的确解决了断电情况下位置信息的通电持续输出，但是设计起来也比较复杂。其原理无外乎利用备用电源或者其他模块产生的电压峰值为外部电路供电，记录下FRAM中的匝数信息实现TPO位置输出。不管如何，使用外部功率来记录的方法既增加了系统规模也提升了成本。
 
如果不需要外部功率来记录外部磁场的旋转次数，那系统规模和成本就能大大减少，位置传感设计上也能简化不少。
 
TPO磁性位置传感应用
 
从基于霍尔效应的磁传感器，到基于各向异性磁阻效应的磁传感器AMR传感，还有基于巨磁阻的GMR传感，还有基于隧道磁阻的TMR传感，这些是位置传感的核心技术。
 
举例来说，基于磁阻效应的TPO多匝磁位置传感器由多个磁阻效应元件纳米线组成的螺旋组成，在外部磁场的旋转变化下，位置状态可以通过测量电阻来确定。这种位置数据收集，仅仅依赖于外部磁场，匝数记录操作不需要额外的备用电源或者其他能提供电压的能量收集技术。断电状态结束，重新向传感器供电时可以读出旋转计数状态，不需要额外的复位等其他操作。
 
相比于其他位置传感技术，霍尔效应位置传感在工业自动化应用里肯定是最多的那一类选择。TPO霍尔传感也是位置检测中常见的一类传感。这类TPO霍尔传感，需要优化的绝对精确计时步进大小来确保从TPO状态到运转模式的平滑过渡。TPO霍尔传感通常带有经优化的定制磁路减少磁铁不良影响和系统偏差，用以响应铁磁体目标生成的磁信号从而进行开关。
 
不论具体采用了何种技术手段实现TPO，这种具有真通电状态的位置传感显著降低自动化设备断电时位置检测系统设计的复杂性和工作量，成本上也能做得更低。在任何对运控、位置检测有高性能要求的系统里，TPO的实现提升了位置传感的性能上限。
 
几种TPO位置传感器
 
TPO霍尔传感
 
霍尔传感挑选的是Allegro的真通电状态传感器ATS系列，包含霍尔元件、永磁体和电子电路，该系统霍尔元件采用光刻技术校准，精度好于1µm。传感器可以在绝对零速下工作并提供TPO信息。精确的计时步进大小确保了从TPO状态到运转模式的平滑过渡，先进的数字电路设计保证了器件对磁过冲和峰值间值变化导致信号异常的高容忍度。
 

Allegro
 

磁阻效应TPO位置传感
 

ADMT4000，ADI
 

上图是ADI推出的TPO多匝位置传感器ADMT4000，结合了GMR传感、AMR传感和集成信号调节IC。在信号调节IC的增强下，磁性误差和机械公差误差被消除，传感器能够提供±0.25°精度水平下最多46转的位置记录。即便是在靠近电机使用时，器件也表现出了极高的对杂散磁场的免疫能力。
 
小结
 
在工业场景中，断电后机器人或其他自动化设备都需要继续跟踪位置信息，不管是旋转应用还是线性应用，都需要不间断的位置传感来收集工厂级数据进而提升运控系统性能。汽车应用中TPO位置检测的应用同样如此。集成TPO的位置传感器将以往需要外部功率支持的方案大大简化，既降低了系统设计的复杂性也降低了成本，可以更轻松地实现真正通电状态下不间断的位置追踪。