作者：Stephen Bradshaw， Christian Nau， and Enda Nicholl

本文概述了當前用于實現真上電（TPO）多圈傳感功能的方法，并介紹了一種新的簡化解決方案，該解決方案將重塑工業和汽車位置傳感市場。簡化的系統將使具有或沒有磁性系統設計經驗的設計人員能夠取代笨重且昂貴的現有解決方案。

介紹

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，始終了解系統的位置至關重要。但是，現有的位置傳感器和編碼器只能提供單圈或360°TPO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包含一個備用電源，用于在意外斷電后跟蹤和記憶單圈傳感器的多次旋轉，或在鍵關閉或斷電期間跟蹤多次旋轉。或者，可以在系統中添加齒輪減速機構，將多次旋轉減少到單圈，并與單圈傳感器結合使用，以查找TPO多圈位置信息。這些解決方案既昂貴又笨重，對于電池備份系統，需要定期維護合同。

旋轉和線性編碼器是用于系統設計人員需要確保機械系統位置始終已知閉環控制的應用的關鍵設備，即使在正常工作周期或意外斷電之后也是如此。系統設計人員面臨的挑戰是確保即使在斷電后TPO位置也可用。如果系統狀態丟失，則需要一個冗長且通常復雜的過程將系統重置為已知狀態。

現有解決方案

現代工廠越來越依賴機器人和協作機器人來縮短周期時間、提高工廠產量和提高效率。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率之一是，在運行時突然斷電后，重新定位和啟動上電所需的停機時間。由此造成的停機時間和生產力損失既昂貴又效率低下。雖然這個問題可以通過備用電池、存儲器和單圈傳感器來解決，但這些解決方案有其局限性。電池組的使用壽命有限，需要維護/服務合同來管理電池更換。在某些存在爆炸危險的環境中，電池組中可以存儲的最大能量是有限的。儲能的減少導致更短的維護周期，其中必須更頻繁地更換電池。

備用電池的替代方案是使用韋根線能量收集模塊。這些模塊使用經過特殊處理的導線，其中外殼的矯頑力遠高于內芯的矯頑力。當磁場旋轉時，不同的矯頑力會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）中的匝數。ADI公司開發的磁性多圈存儲器無需外部電源即可記錄外部磁場的旋轉次數。這導致系統尺寸和成本降低。

多圈傳感器技術

磁性多圈傳感器的核心是由GMR元件的多根納米線組成的巨型磁阻（GMR）材料的螺旋。傳感器的工作原理基于形狀各向異性和在存在外部磁場的情況下在疇壁發生器中生成疇壁。當外部磁場旋轉時，疇壁通過連接到疇壁發生器的窄螺旋軌道（納米線）傳播，如圖1所示。

圖1.操作的多圈原理。

圖2.ADMT4000多圈傳感器框圖

當疇壁穿過螺旋腿結構時，每個螺旋腿單元的狀態都會發生變化。由于元件由GMR材料制成，因此可以通過測量其電阻來確定每個元件的狀態。傳感器僅依靠外部磁場，轉數計數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即可讀取圈數狀態。

簡化系統設計的組合技術解決方案

ADMT4000的頂層框圖如圖2所示，將前面描述的GMR多圈傳感器與高精度AMR角度傳感器和集成信號調理IC相結合，提供能夠記錄的解決方案 46 圈或 16，560° 運動，典型精度為 ±0.25°。集成信號調理IC支持進一步增強系統，以支持諧波校準，從而消除應用中由于磁和機械公差引起的誤差。ADMT4000通過SPI或SENT接口提供絕對46圈（0°至16，560°）數字輸出。ADMT4000位于安裝在旋轉軸上的偶極子磁鐵對面。

ADI正在準備一款磁性參考設計，使磁性設計能力很少或沒有磁性設計能力的用戶能夠在其應用中輕松采用ADMT4000。除了磁芯磁體設計外，該參考設計還將提供對雜散磁場的抗擾度和魯棒性，這將使客戶能夠在惡劣環境中實施傳感器。雜散場可以從許多源產生，其中電流在導線中傳輸，特別是當靠近電動機或執行器使用時。

ADMT4000功能在許多工業應用中都很有價值，包括在斷電或斷電期間跟蹤機器人和協作機器人手臂關節位置。其他工業應用包括工業自動化、機床或醫療設備應用中x-y工作臺的絕對跟蹤和TPO跟蹤。其他旋轉到線性應用包括但不限于線圈、卷筒、線軸、卷軸、葫蘆、絞車和升降機的轉數，或在斷電或停電期間進行運動跟蹤。

此外，ADMT4000提供的TPO位置檢測對于汽車應用具有重要價值，包括但不限于變速箱執行器、電動助力轉向（EPS），包括線控轉向、車位鎖執行器、其他通用執行器和安全帶卷收器。

ADMT4000的尺寸、成本和工作溫度范圍使其可用于廣泛的應用，包括汽車和工業領域的安全關鍵應用。汽車安全關鍵型應用符合 ISO 26262 標準和特定的汽車安全完整性等級 （ASIL）。ADMT4000將以ASIL-QM或ASIL-B（D）的形式提供，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，最終實現更小、更輕、更低成本的解決方案。ADMT4000的易用性將使具有或不具有磁性設計能力的設計人員能夠為當前應用添加新的和改進的功能，并為許多新應用打開大門。

審核編輯：Gt