具有真正上电能力与零功耗的多圈位置传感器(TPO)-电子发烧友网

Stephen Bradshaw, Christian Nau, 和 Enda Nicholl

本文概述了当前用于实现真通电(TPO)多圈传感功能的方法，并介绍了一种将重塑工业与汽车位置传感市场的简化新解决方案。无论是否具有磁系设计经验，设计者都可以使用这个简化的系统来替代笨重且昂贵的传统解决方案。

简介

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，自始至终都知道系统的位置是至关重要。然而，现有位置传感器和编码器只能提供单圈或360° TPO的位置信息。需要多次旋转或更宽测量范围的TPO位置信息的系统通常集成备用电源，用于在意外断电后跟踪并记忆单圈传感器的多次旋转，或是关断或断电期间跟踪多圈运动。或者，可向系统中增设齿轮减速机构，将多次旋转减少至单圈，并与单圈传感器结合使用，用以查找TPO的多圈位置信息，这些解决方案均昂贵且笨重。并且对于电池备用系统，还需要定期维护合同。

旋转编码器和线性编码器是应用中使用的关键设备，在这些应用中，系统设计者需要确保机械系统的位置始终为闭环控制所知，即使是在正常运行周期的一部分或意外断电之后。系统设计者面临的挑战是确保即使在断电后也能获取TPO位置。如果系统状态丢失，则需要通过一个冗长且往往复杂的过程将系统重置为已知状态。

传统解决方案

现代工厂越来越依赖机器人和协作机器人来缩短生产周期，并提高工厂吞吐量和效率。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的原因之一是在运行过程中突然断电后所需重新归位并初始化电源的停机时间。由此导致的停机时间和生产力的损失代价高昂，而且运行效率很低。虽然这个问题可以通过备用电池、存储器和单圈传感器解决，但这些解决方案都有局限性。电池包的使用寿命有限，需要通过维护/服务合同来管理电池更换。在某些存在爆炸风险的环境中，电池包中可存储的最大能量是有限的。储能的减少导致维护周期缩短，必须更频繁地更换电池。

备用电池的替代方案是使用Wiegand导线能量收集模块。这些模块使用经过特殊处理的导线，其外壳磁感矫顽力远远高于内芯矫顽力。当磁场旋转时，不同的矫顽力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)中的圈数。由ADI 公司开发的磁性多圈存储器不需要外部电源来记录外部磁场的旋转次数。因而可以减小系统尺寸并降低生产成本。

多圈传感器技术

磁性多圈传感器的核心是由巨磁电阻(GMR)元件的多个纳米线组成的螺旋状GMR材料。传感器的工作原理基于形状各向异性以及在外部磁场的情况下在畴壁生成器中生成的畴壁。当外部磁场旋转时，畴壁通过附着于畴壁生成器的窄螺旋轨道（纳米线）传播，如图1所示。

图2.ADMT4000多圈传感器方框图。

当畴壁通过螺旋支腿结构时，每个螺旋支腿元件的状态都会发生变化。由于这些元件由GMR材料制成，可通过测量其电阻来确定每个元件的状态。该传感器仅依赖于外部磁场，计算旋转计算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可直接读取圈数状态。

可简化系统设计的组合技术解决方案

ADMT4000的顶层方框图（如图2所示）将上述GMR多圈传感器与高精度AMR角度传感器和集成信号调理IC结合，提供一种能够以±0.25°的典型精度记录46圈或16560°运动的解决方案。集成信号调理IC可进一步增强系统功能以支持谐波校准，从而消除应用中因磁性和机械公差所导致的错误。ADMT4000通过SPI或SENT接口提供绝对的46圈（0°至16560°）数字输出。ADMT4000位于安装在旋转轴上的偶极磁铁对面，如图3所示。

图3.ADMT4000典型应用装配。

ADI公司正在准备一种磁性参考设计，使几乎没有磁性设计能力的用户能够在其应用中轻松采用 ADMT4000。可除了磁芯设计之外，该参考设计还将提供对杂散磁场的抗扰性和鲁棒性，使客户能够在恶劣环境中部署该传感器。产生杂散磁场的干扰源很多，尤以靠近电动机或制动器旁带电流的导线为甚。

ADMT4000的功能在许多工业应用中都极具价值，包括发生停电或断电时的机器人和协作机器人手臂关节位置跟踪（见图4）。其他工业应用包括在工业自动化、机床或医疗设备应用中对x-y表进行绝对和TPO跟踪（如图5所示）。其他旋转到线性应用包括但不限于通电时线圈、卷筒、线轴、卷轴、起重机、绞车和升降机的圈数计算（图6）或停电或断电时的运动跟踪。