断电也能记录数据！ADI ADMT4000磁转数传感器|磁场|传感器|GMR_新浪科技

一、简介

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ADMT4000 是一种磁转数传感器，即使在设备断电时也能够记录磁系统的旋转次数。通电时可以查询该套件，以报告系统的绝对位置。绝对位置通过串行外设接口 (SPI) 报告。ADMT4000 最多可计数 46 圈外部磁场，以顺时针 (CW) 方向递增绝对位置计数。

该套件包括三个磁传感器，一个用于计数系统旋转次数的巨磁电阻（GMR）转数计数传感器，一个 GMR 象限检测传感器和一个各向异性磁阻（AMR）角度传感器。AMR 角度传感器与 GMR 象限检测传感器结合使用，可确定系统在 360° 范围内的绝对位置。将 GMR 转数计数传感器输出与 AMR 角度传感器输出相结合，该套件就能以高角度精度报告系统的位置。

产品特色：

真正通电多圈计数器

角度传感器±0.25°

SPI 接口

欠压和过压检测

二、正文

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。

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。

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。

设计出理想的磁体和屏蔽需要仔细了解系统要求。一般来说，系统要求越宽松，达到目标规格所需的磁体解决方案尺寸越大、成本越高。ADI正在开发一系列满足各种机械、杂散场和温度要求的磁性参考设计，可供 ADMT4000 真正上电多圈传感器的客户使用。ADI开发的第一个设计涵盖了公差相对宽松的系统：传感器到磁铁的距离为2.45 mm ± 1 mm，传感器到旋转轴的总位移为±0.6 mm，工作温度范围为–40˚C至+150˚C，杂散磁场屏蔽衰减大于90%。

设计磁体时，需要考虑一些关键注意事项，下一节内容概述了在为GMR传感器进行设计时需要考虑的主要方面。

GMR传感器在定义的磁窗口（16 mT至31 mT）1内运行；此外，最大和最小工作范围具有热系数(TC)，如图1中的红色迹线所示。选择TC与GMR传感器匹配的磁体材料最大限度地提高工作磁场的允许变化范围。这有助于增大磁体强度的变化和/或磁体相对于传感器的距离公差变化。铁氧体等低成本磁性材料的TC远远高于GMR传感器，与钐钴(SmCo)或钕铁硼(NeFeB)等材料相比，其工作温度范围有限。

图3.工作窗口与典型SmCo磁体的热系数比较。

了解所选磁性材料的TC以及由于制造差异而导致的磁场强度变化后，即可确定室温(25°C)下所需的磁场强度。然后可以在室温下进行设计仿真，同时系统将在整个温度范围内按预期运行的可信度高。在图1中，绿色实线代表磁体根据设计应在GMR传感器的活动区域范围内产生的磁场强度窗口。由于磁性材料制造工艺的差异，该窗口小于GMR传感器的最大和最小操作窗口。绿色虚线表示由于>5%的典型制造差异而产生的最大和最小预期磁场。

机械操作环境中磁体的仿真可以采取不同的形式。通常用于设计磁体的仿真有两种类型：解析仿真或有限元分析(FEA)。解析仿真使用被仿真磁体的整体参数（尺寸、材料）求解出磁场，除了假设磁体在空气中运行之外，不考虑周围环境。这是一种快速的计算，在没有相邻铁磁材料时非常有用。FEA可以对较大磁性系统中含铁材料的影响进行建模，在将磁体与杂散磁场屏蔽或靠近磁体或传感器的铁磁材料组合时，此操作至关重要。FEA是一个耗时的过程，因此其通常将解析分析中的基本磁体设计作为起点。FEA用于对磁体和杂散场屏蔽的参考设计进行仿真。

仿真产生的参考设计磁体由一个带有集成钢杂散场屏蔽的SmCo磁体组成，如图2所示。该磁体采用注塑成型设计，因此能够批量生产。SmCo磁体的注塑成型因能够生产复杂的形状而很常见，并且广泛用于汽车和工业应用。该组件根据设计可与直径为9毫米的轴形成过盈配合；然而，可以对衬套进行修改，以便连接到不同尺寸的轴。

我们对磁体组件进行了仔细的表征，以展示GMR传感器的强大磁性解决方案。表征的关键是能够绘制在扩展的磁铁到传感器距离窗口范围内磁场强度在受控环境中的详细图。表征成功的关键在于充分了解和校准所用的磁场探头。图3显示了在两个不同气隙下测量的磁场强度的示例，在整个工作温度范围和气隙范围内重复这些测量非常耗时，但此操作对于了解磁体性能以确保其在所需条件下正常运行至关重要。

图5.气隙为1.42 mm和2.45 mm的磁场分布。

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。

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。