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概述
本文討論了目前用於實現真正通電 （TPO） 多旋轉檢測的技術，並介紹了正在重塑工業和汽車位置感測市場的創新解決方案。這種簡化的系統使沒有磁性系統設計專業知識的設計工程師能夠輕鬆取代傳統的大型、昂貴的解決方案。
前言
在汽車和工業應用中，系統必須始終知道其位置，很容易看到正在使用的位置感測器和編碼器。
但是，現有的位置感測器和編碼器只能提供一次旋轉，即 360 度真正的通電 （TPO） 位置資訊。需要在更寬測量範圍內提供多旋轉或 TPO 位置資訊的系統可以使用備用電源在意外停電時跟蹤和記憶單個旋轉感測器的多次旋轉，或者在點火開關關閉的情況下跟蹤多次旋轉運動。
或者，可以添加齒輪減速機構以將多圈減少到單圈，並且可以與單圈感測器結合使用來獲取 TPO 多圈位置資訊。這些系統既昂貴又笨重，並且備用電池系統需要定期維護。
在必須始終了解機械系統位置以進行閉環控制的應用中，無論是作為正常作週期的一部分還是由於意外事故，旋轉編碼器和線性編碼器都是必不可少的元件。然而，即使電源中斷，確保TPO位置始終已知對系統設計人員來說也是一項挑戰。如果系統的狀態未知，則將系統重置為已知狀態是一個漫長的複雜的過程。
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處理時間、提高生產力和效率。然而，機器人、協作機器人和其他自動化裝配設備會增加成本並導致效率低下，因為如果電源在運行過程中意外中斷，則需要停機來初始化位置和通電。
這種停機時間會導致生產力降低和經濟損失。備用電池、記憶體和單轉感測器可用於防止此類停電，但這些解決方案有其局限性。電池組的使用壽命有限，需要維護以管理電池更換。在某些爆炸風險較高的環境中，電池組中可以存儲的最大能量是有限的。這意味著需要更頻繁地更換電池，並且維護間隔更短。
作為備用電池的替代方案，可以使用 Wiegand 線能量收集模組。該模組使用經過特殊處理的導線，其外殼的矯頑力遠高於內芯的磁矯頑力。當磁場旋轉時，這種矯頑力差異會導致器件輸出中出現電壓尖峰。這些尖峰可用於驅動外部電路並在FRAM中儲存轉數。Analog Devices 開發的磁性多旋轉記憶體不需要任何外部電源來存儲外部磁場中的轉數。這樣可以減小系統尺寸和成本。
多圈感測器技術
磁性多旋轉感測器的核心是由幾根巨磁阻 （GMR） 元件納米線組成的 GMR 螺旋線。該感測器的工作原理基於形態各向異性以及在存在外部磁場的情況下在疇壁發生器中產生磁壁。當外部磁場旋轉時，磁壁是通過連接到磁壁發生器的窄螺旋軌道（納米線）得出的（圖 1）。
圖 1：多圈感測器的工作原理
圖 2：ADMT4000 多旋轉感測器的框圖
當磁壁穿過螺旋結構時，每個螺旋元件的狀態會發生變化。由於這些元件由 GMR 材料製成，因此可以測量電阻以確定每個元件的狀況。該感測器僅依賴於外部磁場，不需要額外的備用電源或能量收集來計算轉數。當感測器再次通電時，可以立即讀取感測器，無需使用者干預或系統重置。
簡化系統設計的整合解決方案
圖 2 顯示了 ADMT4000 的高級框圖，它將前面描述的 GMR 多圈感測器和高精度 AMR 角度感測器與訊號調節 IC 相結合，提供了一種可以測量 46 轉或 16,560 度運動的解決方案，典型精度為 0.25。整合的訊號調節IC可實現諧波校準等增強功能，從而消除由磁性和機械容差引起的誤差。ADMT4000 通過 SPI 或 SENT 介面提供絕對 46 轉（0 ~ 16,560 度）數字輸出。如圖 3 所示，ADMT4000安裝在旋轉軸上的偶極子磁體的對面。
圖 3：ADMT4000 中的典型應用程式程式集示例
ADI 正在準備自己的參考設計，以便缺乏自主設計專業知識的使用者更容易採用 ADMT4000。該參考設計以及包含磁芯磁體設計，旨在支援對雜散磁場的穩健性和出色的抵抗力，使用戶能夠在惡劣環境中作感測器。雜散磁場可能由許多因素產生，其中電流通過導線傳輸，尤其是在靠近電動機或執行器附近使用時。
ADMT4000可用於各種工業應用，例如在停電或斷電期間跟蹤機器人和協作機器人的手臂關節位置（圖 4）。另一個工業應用是工業自動化、機床和醫療設備應用中 x-y 工作台的絕對跟蹤和 TPO 跟蹤（圖 5）。其他旋轉與線性應用包括通電時線圈、捲筒、線軸、捲筒、提升機、絞車和升降機的轉數（圖 6），或在斷電或停電時進行運動跟蹤。
圖 4：機器人和協作機器人應用中的 ADMT4000 個示例
圖 5：旋轉與線性致動器應用中的 ADMT4000 個使用範例
圖 6：拉線編碼器應用
ADMT4000的 TPO 位置感測也可用於汽車應用。這些感測器包括變速器執行器（圖 5）、電動助力轉向 （EPS）（包括線控轉向）（圖 7）、駐車鎖執行器、其他通用執行器和安全帶卷收器（圖 8）。
圖 7：線控轉向應用
圖 8：安全帶卷收器的應用
該ADMT4000的尺寸、價格範圍和工作溫度範圍可適應汽車和工業領域的各種安全敏感型應用。注重安全的汽車應用必須滿足 ISO 26262 標準和特定的 ASIL 要求。ADMT4000 有 ASIL-QM 或 ASIL-B（D） 兩種版本，因此它既可用於需要高級別 ASIL 或 SIL 功能的應用，也可用於不需要高水準 ASIL 或 SIL 功能的應用。
結論
作為第一款集成的 TPO 多旋轉位置感測器，ADMT4000 顯著降低了系統設計的複雜性，從而能夠設計更小、更輕的解決方案並降低系統成本。有了 ADMT4000，您無需成為自己設計的專家，即可輕鬆地將各種創新添加到當前應用程式中並實施許多新應用程式。
有關ADMT4000和磁性參考設計的更多資訊，請聯繫安馳科技 Marketing.anstek@macnica.com。
作者
Stephen Bradshaw 擁有利茲大學電氣工程學士學位以及格拉斯哥大學光電子學碩士和博士學位。他在 STMicroelectronics 的第一代手機攝像頭、Maroni 的 Gbps 光收發器和 Nanotech Semiconductor 的各種光收發器的鏡頭設計和表徵方面擁有豐富的經驗。他在ADI公司工作了10多年，作為一名應用工程師，他主要負責鐵鋰（LiFe）和鉛酸電池監控產品線以及磁性位置感測器。
Christian Nau 是 Analog Devices 的產品營銷經理，專門研究汽車電子和感測器。他於 2015 年加入 ADI 公司，擔任 FAE，負責為 EMEA 地區的磁感測器提供支援。自 2019 年以來，他一直在 ADI 的磁感測器技術小組工作，為客戶提供產品支援，並引領集團的未來發展方向。
Enda Nicholl 是 Analog Devices Ireland Limerick 的磁感測器戰略營銷經理。他於 2006 年加入 ADI 公司，擔任機械工程師，在感測器和感測器介面產品方面擁有近 30 年的經驗，涉及廣泛的應用和細分市場，包括汽車和工業。他擔任過各種職位，包括產品應用、現場應用和銷售、戰略業務開發和行銷。
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