具有真正復電能力與零功耗的多圈位置感測器(TPO)

作者 :

作者:ADI 產品應用工程師Stephen Bradshaw, 產品行銷經理Christian Nau, 和策 […]

作者:ADI 產品應用工程師Stephen Bradshaw, 產品行銷經理Christian Nau, 和策略行銷經理Enda Nicholl

摘要

本文概述了目前用於實現True Power-On(TPO)多圈感測功能的方法,並介紹一種新的簡化解決方案,將重塑工業與汽車位置感測市場。讓無論是否具有磁系設計經驗的設計者都可透過此種簡化的系統取代笨重且昂貴的傳統解決方案。

簡介

位置感測器和編碼器在汽車和工業應用中無所不在,在這些應用中,自始至終都知道系統的位置是非常重要。然而,現有位置感測器和編碼器只能提供單圈或360° TPO的位置資訊。需要多次旋轉或更寬廣測量範圍的TPO位置資訊的系統通常整合備用電源,以在意外斷電後追蹤並記憶單圈感測器的多次旋轉,或是關斷或斷電期間追蹤多圈運動。亦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,並與單圈感測器結合使用,用以查找TPO的多圈位置資訊,這些解決方案均昂貴且笨重。並且對於電池備用系統,還需要定期維護合約。

旋轉編碼器和線性編碼器是應用中使用的關鍵裝置,在如此應用中,系統設計者需要確保機械系統的位置始終為閉迴路控制所知,即使是在正常運行週期的一部分或意外斷電之後也是如此。系統設計者面臨的挑戰是確保即使在斷電後也能獲取TPO位置。如果系統狀態丟失,則需要透過一個冗長且往往複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週期,並提高工廠輸送量和效率。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後所需重新歸位並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。雖然此問題可以透過備用電池、記憶體和單圈感測器解決,但這些解決方案都有侷限性。電池包的使用壽命有限,需要透過維護/服務契約來管理電池更換。在某些存在爆炸風險的環境中,電池包中可儲存的最大能量是有限的。儲能的減少導致維護週期縮短,必須更頻繁的更換電池。

備用電池的替代方案是使用Wiegand導線能量收集模組。這些模組使用經過特殊處理的導線,其外殼磁感矯頑力遠高於內核的矯頑力。當磁場旋轉時,不同的矯頑力在元件輸出端產生電壓尖峰。尖峰可用於為外部電路供電,並記錄鐵電隨機存取記憶體(FRAM)中的圈數。由ADI開發的磁性多圈記憶體不需要外部電源來記錄外部磁場的旋轉次數。因而可以精減系統尺寸並降低生產成本。

多圈感測器技術

磁性多圈感測器的核心是由巨磁電阻(GMR)元件的多個奈米線組成的螺旋狀GMR材料。感測器的工作原理基於形狀各向異性以及在外部磁場的情況下在疇壁產生器中產生的疇壁。當外部磁場旋轉時,疇壁透過附著於疇壁產生器的窄螺旋軌道(奈米線)傳播,如圖1所示。

Figure 1. The multiturn principle of the operation. Figure 1. The multiturn principle of the operation.
圖1.多圈工作原理。
Figure 2. The ADMT4000 multiturn sensor block diagram. Figure 2. The ADMT4000 multiturn sensor block diagram.
圖2.ADMT4000多圈感測器方框圖。

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。由於這些元件由GMR材料製成,可透過測量其電阻來確定每個元件的狀態。該感測器僅依賴於外部磁場,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。當感測器重新通電時,無需進一步的使用者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多圈感測器與高精度AMR角度感測器和整合訊號處理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。整合訊號處理IC可進一步增強系統功能以支援諧波校準,從而消除應用中因磁性和機械公差所導致的錯誤。ADMT4000透過SPI或SENT介面提供絕對的46圈(0°至16560°)數位輸出。ADMT4000位於安裝在旋轉軸上的偶極磁鐵對面,如圖3所示。

Figure 3. The ADMT4000 typical application assembly.

圖3.ADMT4000典型應用裝配。

ADI正準備透過一種磁性參考設計使幾乎不具備磁性設計能力的使用者能在其應用中輕鬆採用 ADMT4000。除了磁芯設計之外,該參考設計並將提供對雜散磁場的抗擾性和強固性,使客戶能夠在惡劣環境中佈署該感測器。產生雜散磁場的干擾源很多,尤以靠近馬達或制動器旁具有電流的導線為甚。

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追蹤(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追蹤(如圖5所示)。其他旋轉到線性應用包括但不限於通電時線圈、捲筒、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追蹤。

Figure 4. The ADMT4000 in a robot/cobot application. Figure 4. The ADMT4000 in a robot/cobot application.
圖4.機器人/協作機器人應用中的ADMT4000。
Figure 5. The ADMT4000 in a rotary to linear actuator application. Figure 5. The ADMT4000 in a rotary to linear actuator application.
圖5.旋轉到線性致動器應用中的ADMT4000。
Figure 6. Wire draw encoder applications. Figure 6. Wire draw encoder applications.
圖6.拉線編碼器應用。

此外,ADMT4000提供的TPO位置感測對於汽車應用而言具有重要價值,包括但不限於變速箱制動器(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捲收器(圖8)。

Figure 7. A steer-by-wire application. Figure 7. A steer-by-wire application.
圖7.線控轉向應用。
Figure 8. A seat belt retractor application. Figure 8. A seat belt retractor application.
圖8.安全帶捲收器應用。

ADMT4000的尺寸、成本和工作溫度範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,以因應需要和不需要高階ASIL或SIL功能的應用。

結論

ADMT4000和首款整合式TPO多圈位置感測器目的在明顯降低系統設計的複雜性和工作量,最終實現尺寸更精巧、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目前應用增加或改善現有功能,並為許多新應用打開大門。

欲瞭解有關ADMT4000和磁性參考設計的更多資訊,請聯繫各地ADI業務團隊,或者請瀏覽: analog.com/magnetics

發表評論