2022-04-28

【技術文章】具有真正復電能力與零功耗的多圈位置傳感器(TPO)

摘要

本文概述了當前用來實現True Power-On(TPO)多圈感測功能的方法，並介紹一種將重塑工業與汽車位置感測市場的簡化新解決方案。無論是否具有磁系設計經驗，設計者都可透過這類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乃至關重要。然而，現有位置感測器和編碼器僅能提供單圈或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集成備用電源，可用在意外斷電後追蹤並記憶單圈感測器的多次旋轉、關斷或斷電期間追蹤多圈運動；或者可向系統中增設齒輪減速機構，將多次旋轉減少到單圈，並與單圈感測器結合使用，以查找TPO的多圈位置訊息。過往，這些解決方案都昂貴且笨重。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設備，在這些應用中，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後。系統設計者所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，並提高工廠吞吐量及生產效率。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復歸並初始化電源的停機時間。這所導致的停機時間和生產力的損失代價高昂，且運行效率很低。這雖然可透過備用電池、記憶體和單圈感測器解決，但這些方案都有其侷限性。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，必須更頻繁地更換電池。

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亞德諾半導體所開發的磁性多圈記憶體不需外部電源來記錄外部磁場的旋轉次數。因而可以精簡系統、縮小尺寸並降低生產成本。

多圈傳感器技術

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區壁產生器(Domain Wall Generator)中產生的區壁。當外部磁場旋轉時，區壁透過附著於區壁產生器的窄螺旋軌道（奈米線）傳播，如下圖1所示。

圖1. 多圈工作原理

圖2. ADMT4000 多圈傳感器方塊圖

當區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。該傳感器僅靠外部磁場，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。當傳感器重新通電時，無需進一步的用戶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

圖2的ADMT4000的頂層方塊圖，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晶片結合，提供一種能以正負0.25°的典型精度記錄46圈或16560°運動的解決方案。集成訊號處理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，如下圖3所示。

圖3. ADMT4000典型應用裝配。

ADI正準備一種磁性參考設計，讓幾乎不具備磁性設計能力的用戶，能在其應用中輕鬆導入 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耐用性，使客戶能夠在惡劣環境中部署該感測器。產生雜散磁場的干擾源很多，尤以靠近馬達或制動器旁帶電流的導線為甚。

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、卷筒、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。