Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №3

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 2. Технологии, схемотехника, программирование и монтаж интегральных датчиков Холла

Сысоева Светлана


Вторая часть статьи продолжает описание линии новых разработок на основе перспективных в данной области интегральных бесконтактных датчиков Холла в комбинации с постоянным магнитом. Дается анализ возможностей новых технологий, излагаются базовые принципы комплексного инженерного дизайна. Специальное внимание уделяется вопросам функциональности — схемотехники и аспектам программирования, важным в практической реализации новых автомобильных датчиков положения.

Все статьи цикла:

Введение

Интегральные датчики помогают инженерам бы стрее создавать надежные и точные устройства для автомобильных систем благодаря высокому уровню интегральности компонентов и непрерывным качественным улучшениям их элементной базы. Специ ально для разработки автомобильных бесконтактных датчиков положения дросселя, педали, подвески, кла пана EGR и положения передачи предназначена раз витая элементная база магнитоуправляемых интег ральных компонентов — альтернатива потенциометрам, позволяющая минимизировать пробле мы загрязнения и износа. Современные линей ные магнитоуправляемые ИС имеют новые функциональные возможности, увеличенную чувствительность, малый размер, удовлетво ряют требованиям совместимости с электрон ными системами и как нельзя более адаптиро ваны для эксплуатации в условиях автомобиль ной среды с ее механической вибрацией, переменными температурами, перепадами на пряжения питания и электромагнитными по мехами.

Располагая сведениями о текущем состоя нии элементной базы, можно подобрать авто мобильный линейный интегральный датчик, идеально подходящий для решения практиче ски любой задачи (не только для определения положения, но и, например, ускорения, уров ня жидкости или давления). Интегральный дат чик обеспечивает готовый выход, совмести мый с внешней схемой обработки сигнала— аналоговый или ШИМ, при этом постоянное повышение степени интегральности компо нентов сводит к минимуму количество необ ходимых внешних схем защиты.

Аналоговый магнитоуправляемый датчик образует выходной сигнал, пропорциональ ный магнитному полю, образованному внеш ним линейно движущимся или вращающимся постоянным магнитом, а также электриче ским током. Поскольку магнит может быть механически связан с детектируемым объек том, этот тип датчиков подходит для широко го диапазона автомобильных задач определе ния положения, расстояния или угла.

Практические принципы, заложенные в ме ханику магнитоуправляемых датчиков поло жения и энкодеров, ориентированы на разви тие электронных технологий, доступных се годня в интегральном исполнении: эффекта Холла, АМР, ГМР. Технологии на основе эф фекта Холла с их самым высоким уровнем ин тегрирования компонентов, улучшенными возможностями программирования в рабочих условиях после сборки датчика, минималь ным гистерезисом ишироким диапазоном уг ловых измерений, дополненные новым потен циалом датчиков и энкодеров параллельных магнитных полей, являются в настоящее вре мя безусловными лидерами.

Стандартные и программируемые линейные датчики Холла. Необходимость программирования

Основные принципы аналоговых измерений с применением классического датчика Холла в комбинации с дипольным магнитом изложены в первой части статьи и проиллюстрирова ны рис. 6. Другие примеры конфигураций дат чика Холла и дипольного магнита также мож но найти в описаниях патентов [23–25].

Еще два варианта конструкции автомобиль ного датчика углового положения с уменьшен ным зазором между магнитом и ИС, специ ально разработанные для слабых магнитов (<500 мТл), показаны на рис. 7 а и б (вари ант А), в и г (вариант Б). На рис. 7 д приведен пример реализации принципиальной элект рической схемы устройства на основе элемент ной базы КМОП-семейства программируемых в EEPROM ИС Micronas HAL 8xx (HAL805) с минимальным набором внешних интерфейс ных компонентов.

Текущее состояние коммерчески доступной элементной базы линейных датчиков Холла классического типа, альтернативно подходя щих для данного типа конструкций, отраже но в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Технические характеристики ряда известных линейных ИС Холла
Технические характеристики ряда известных линейных ИС Холла

Линейный датчик Холла при повороте маг нита (см. рис. 7) обеспечивает на выходе ана логовое напряжение Uвых, пропорциональное (рис. 8):

Программируемый датчик положения дроссельной заслонки с классическим датчиком Холла (HAL8x5/810 Micronas) — варианты со слабым магнитом без магнитопровода:
Рис. 7. Программируемый датчик положения дроссельной заслонки с классическим датчиком Холла (HAL8x5/810 Micronas) — варианты со слабым магнитом без
магнитопровода: а, б, в, г — варианты конструкции датчика:
а — общий вид устройства А; б — конструкция датчика А в разрезе в его симметричном угловом положении с нулевой индукцией магнитного поля;
в — высокочувствительный вариант Б с микросхемой внутри кольцевого магнита; г — симметричное положение датчика Б с нулевой индукцией магнитного поля (вид в разрезе);
1 — корпус датчика; 2 — роторный узел (сборочная единица, включающая также поз. 7 и 9; выполняется на основе деталей, жестко связанных между собой, например,
при их двухэтапной обливке или термоосадке); 3 — кольцевой постоянный магнит; 4 — программируемый датчик Холла (HAL805); 5 — печатная плата;
6 — контакты разъема; 7 — пружина кручения; 8 — крышка датчика; 9 — установочная втулка роторного узла 2; 10 — ограничитель осевых перемещений (верхнее днище
корпуса в варианте А или вспомогательная крышка в варианте Б); 11 — крепежные винты датчика; 12 — крепеж ограничителя;
д — принципиальная электрическая схема датчика с HAL805 Micronas.
Рис. 8. Рабочие характеристики датчика Холла:
а — рабочее магнитное поле B (сигнал напряжения Холла UH):
1 — идеальный сигнал c нулевым Boff; 2 — ненулевое смещение Boff и (–Boff) чувствительного элемента;
ρ — чувствительность элемента Холла;
б — синусоидальное рабочее магнитное поле B в зависимости от угла поворота φ магнита, линейно аппроксимируемое в диапазоне эффективного электрического угла eff;
в — примеры выходных характеристик линейного датчика Холла, пропорциональных напряжению питания (5 В для данных примеров):
1 — биполярная характеристика (классическая); 2 — униполярная характеристика; 3 — инвертированная униполярная характеристика;
U0q1, U0q2, U0q3 — среднеквадратические напряжения сигналов 1, 2 и 3; SM, SM1, SM2, SM3 — магнитные чувствительности сигналов, соответственно;
Umax, Umin — ограничивающие уровни выходного напряжения; φ — нормализованная шкала отсчета углового положения;
г — определение минимального, среднеквадратического и максимального рабочего цикла ШИМ — сигнала абсолютного углового положения (HAL810, HAL85x).
  • плотности магнитного потока B, пронизывающего элемент Холла;
  • на линейном участке данной выходной характеристики — углу поворота магнита;
  • напряжению питания Uпит (ратиометричная характеристика).
Таблицы 4. Основные технические характеристики современных программируемых ИС Холла
Основные технические характеристики современных программируемых ИС Холла

Перпендикулярные компоненты внешнего магнитного поля генерируют напряжение Холла UH на интегрированном в ИС элемен те Холла, чувствительном к северному и юж ному полюсу магнита (рис. 8 а). Это напря жение представляет собой готовую аналого вую характеристику, поэтому стандартная линейная ИС Холла является самым простым устройством и немногим отличается от дис кретного линейного элемента: например, в ИС типа MLX90242 (рис. 9 а) это напряжение уси ливается и перенаправляется на выходной драйвер [26–29].

MLX90242 Melexis — классический интегральный линейный датчик Холла
Рис. 9. MLX90242 Melexis — классический интегральный линейный датчик Холла

Рабочее магнитное поле B, считываемое дат чиком при вращении магнита, относительно выбранной нулевой отметки (рис. 8) матема тически моделируется выражением:

B = Bmax*sin(ω*t + φ) + Boff  (7)

где Bmax — амплитудное значение магнитно го поля, φ — фазовый сдвиг магнитного поля от нулевой оси (измеряемый угол поворота), ω — угловая скорость вращения, t— незави симая переменная (время), Boff — ненулевое смещение поля.

При использовании стандартного линейно го датчика в конструкциях, показанных на рис. 6–7, как минимум возможны следующие механические ошибки — компоненты, наво дящие Boff и усиливающие эффекты нелиней ности (7):

  • неидеальное положение ИС;
  • неидеальное положение магнита;
  • допуски расположения магнитопровода;
  • влияние остаточной намагниченности магнита;
  • неоднородность напряженности рабочего поля;
  • величина и допуски рабочего зазора;
  • эксцентриситет вращения;
  • влияние частоты вращения;
  • механическая вибрация;
  • электромагнитные помехи;
  • температурные коэффициенты и ИС, и магнита. К стандартным техникам компенсации прецизионных датчиков относятся:
  • квадратичная техника элемента Холла (чувствительный элемент на самом деле представляет собой четыре элемента Холла, включенных в схему моста Уитстона);
  • динамическая отмена смещений (chopperstabilization) чувствительного элемента Холла и усилителей;
  • температурная компенсация (как правило, методом лазерной подгонки).

Все они улучшают адаптивность электри ческих свойств элемента Холла и усилитель ной части, но не обеспечивают эффективную динамическую компенсацию внешних меха нических воздействий и рабочих условий, к ко торым относятся также требуемые уровни вы ходного напряжения (рис. 8 в).

В результате применение стандартной ли нейной ИС не гарантирует отсутствие ошибок чувствительности, смещения и темпера турного коэффициента. (Кроме того, при ре ализации датчиков, показанных на рис. 6–7, на основе стандартной линейной ИС будет тре боваться не только более тщательный расчет, настройка и регулировка магнитной системы, но, и, вероятно, могут последовать изменения в конструкции в сторону ее усложнения.)

Поэтому новые разработки ориентируют ся на непрерывно развивающуюся концепцию программируемых датчиков Холла, преиму щественно со встроенной цифровой коррек цией нелинейности.

В данной части статьи предполагается об суждение темы новых автомобильных датчи ков, для разработки которых существует до статочная элементная база полностью интег рированных программируемых датчиков Холла (табл. 4). Необходимо пояснить, что программируемая схема может быть собрана и на основе любого стандартного интеграль ного датчика или элемента Холла из дискрет ных компонентов, размещаемых на плате автомобильного датчика — микроконтроллера, EEPROM, АЦП и ЦАП. Многие программи руемые датчики Холла, продаваемые сегодня на автомобильном рынке, часто используют этот вариант. Одно из таких устройств — дат чик углового положения класса «smart» с элект ронной схемой для автоматической компен сации ошибок выходного сигнала интеграль ного датчика, включающей электронную память для хранения компенсационных зна чений [30].

Типичная программируемая схема исполь зует три базовых блока:

  • усилитель с программируемым усилением и смещением;
  • АЦП;
  • ЦАП. Имеются два метода осуществления программирования:
  • Чисто аналоговый с применением усилителя с программируемым усилением и смещени ем (MLX90215 и TLE4990, а также новинки 2005 года A1373 и A1374 Allegro Microsystems с OTPROM, MLX90251 с EEPROM).
  • Оцифровка сигнала, цифровая обработка сигнала с его последующей конвертацией обратно в аналоговый сигнал (HAL8xx).

Оба метода, как правило, обеспечивают в результате скомпенсированный аналого вый сигнал. Альтернативная внешняя ком пенсация может быть реализована в схеме на плате датчика или обрабатывающего бло ка. Например, для улучшения характерис тик датчиков Холла может использоваться программируемый интерфейсный микро контроллер MLX90308 [31], поддерживаю щий оба метода.

Обработка сигналов в аналоговом тракте передачи данных

Кроме стандартных техник компенсации чувствительного элемента Холла и усилителей для устранения нежелательных эффектов при чисто аналоговом прохождении сигнала в про граммируемых ИС предназначена автомати ческая регулировка усиления и следующие тех ники отмены сдвигов, различаемые фактиче ски в зависимости от производителя ИС:

  • Внешняя цифровая компенсация (обработка сигнала с использованием внешнего микропроцессора).
  • Интегрированная активная схема цифровой коррекции аналогового сигнала (MLX90215, MLX90251).
  • Интегрированная модуляция и последующая демодуляция сигнала (TLE4990, A1373, A1374).
  • Интегрированная техника динамической отмены сдвигов аналогового сигнала с программируемым усилением, среднеквадратическим напряжением, последующей фильтрацией (A1373, A1374).

Программирование датчиков осуществля ется с помощью стендовых блоков програм мирования, соединенных с ПК, как правило, по интерфейсу RS-232 или USB, и специаль ного программного обеспечения.

MLX90215

Программируемый линейный датчик MLX90215 содержит 37-битный сдвиговый ре гистр, PROM, RAM и 3 АЦП (рис. 10). Глав ным признаком MLX90215 является способ ность регулировать нулевое положение или среднеквадратическое напряжение U0q с очень низким дрейфом ±1,5 мВ (см. табл. 4), хотя в пределах автомобильного температурного диапазона остается смещение порядка ±20 мВ, что эквивалентно дрейфу U0q менее 0,4% Udd.

Рис. 10. Программируемый линейный датчик
MLX90215 и комплект для программирования:
а — схема датчика;
б — программатор PTC*01

В нерегулируемых системах смещение может оцениваться в 200 мВ [31, 32].

С отключенной функцией HALFVDD U0q может быть запрограммировано в пределах ди апазона 10–90% Udd с пошаговым разрешени ем 5 мВ. С включенной функцией HALFVDD устройство может программироваться в диа пазоне 2–3 В с пошаговым разрешением ме нее 1 мВ.

Другими отличительными признаками MLX90215 являются:

  • Инвертирование наклона (см. рис. 8 в).
  • Двухэтапное программирование чувствительности (грубая 3-битная и точная 10-битная регулировка).
  • Программирование величины дрейфа чувствительности в зависимости от температуры (менее ±1% в полном диапазоне).

MLX90215 с возможностью 5-битной (32 шага) программируемой регулировки дрейфа чувствительности может быть запро граммирован на увеличение чувствительно сти ИС при увеличении температуры (поло жительный температурный коэффициент ИС в диапазоне от 0 до 3125 ppm/°C), так как большинство магнитов имеет отрицатель ный температурный коэффициент рабочей магнитной индукции B в диапазоне от 0 до 3000 ppm/°C.

В зависимости от условий работы, про граммируемая температурная компенсация MLX90215 допускает использовать темпера турный коэффициент в более широких пре- делах: от –700 до 3125 ppm/°C с разрешением ±100 ppm/°C.

MLX90215 также поддерживает двухбит ную функцию состояния ограничивающих уровней CLAMP, не зависящую от усиления и не влияющую на чувствительность, с че тырьмя возможными состояниями:

  • 0 (без ограничивающих уровней);
  • 1 (5–45% Udd);
  • 2 (0–90% Udd);
  • 3 (5–95% Udd);

Программирование MLX90215 осуществ ляется через выходной вывод передачей в PROM 37-битного цифрового слова через сдвиговый регистр ИС. Загрузка сдвигового регистра происходит в так называемом загру зочном режиме выхода (LOAD-mode) и вы- полняется при повышении напряжения пи- тания Udd до 13–18 В; любые интерфейсные компоненты в схеме датчика также должны выдерживать этот диапазон.

Пока напряжение питания находится в ре жиме программирования, выходной вывод является входом для сдвигового регистра, че рез который осуществляется перемещение данных для временного хранения в RAM. В процессе поиска оптимальных цифровых коэффициентов сдвиговый регистр может пе резагружаться неопределенное число раз, но только при включенном питании ИС, ко торая находится в режиме LOAD-mode. Пере менные, измененные в программной оболоч ке, загружаются по синхронизирующим им пульсам микроконтроллера программатора. Как только слово будет загружено, результа ты будут проверяться ИС наблюдением на пряжения питания (внешним вольтметром или внешним АЦП программатора).

ик TLE4990 и средства программирования: а — схема датчика; б — программатор PGSISI Ertec GmbH

После определения кода он может быть по стоянно записан в память PROM в процессе однократного программирования (ZAP-mode). Данные передаются из сдвигового регистра в PROM увеличением уровня напряжения пи тания до уровня выше 18 В, необходимого для однократного программирования. После про граммирования ИС будет функционировать с учетом коэффициентов коррекции, храня щихся в его регистрах OTPROM.

MLX90215 выпускается в корпусе SIP-4(VA) толщиной 1,2 мм.

Melexis выпускает программатор PTC-01 для программирования MLX90215 по интерфейсу RS232, а также осуществляет его программную поддержку (пакет SWPTC-01). Программатор и программный пакет позволяют пользователю загружать настройки MLX90215, выполнять из мерения, калибровку и программирование [33].

TLE4990

TLE4990 — высоколинейный датчик Холла с линейностью порядка 0,1% (см. табл. 4), раз работанный Infineon специально для высоко точного детектирования углового или линей ного положения в автомобильных системах, а также для измерения тока [34].

Отличительными признаками цифровой ком пенсации аналогового сигнала в ИС со смеши ванием сигнала TLE4990 являются (рис. 11 а):

Рис. 11. Программируемый линейный датч
  • программирование среднеквадратического напряжения;
  • двухэтапная — грубая и точная регулировка магнитной чувствительности;
  • программируемая температурная компенсация чувствительности;
  • программируемая температурная компенсация усиления;
  • дополнительные возможности регулировки ограничивающих уровней.

Диапазон магнитного поля и выходное на пряжение в отсутствие поля регулируется поль зователем для достижения оптимальной точ ности. Программирование среднеквадратиче ского напряжения осуществляется передачей информации в OTPROM через интерфейс ана логового выходного напряжения. Выходной сигнал ячейки Холла в отсутствие поля усили вается и представляет собой среднеквадрати ческое напряжение, к которому добавляется значение, определенное пользователем.

В зависимости от условий эксплуатации и значения бита биполярности TLE4990 может быть запрограммирована либо на биполярную работу (аналогично кривой 1 на рис. 8 в) с 50%-ным нулевым смещением, низкой чув ствительностью и ограничивающими уровня ми, либо на униполярную работу (аналогич но кривой 2 на рис. 8 в) с высокой чувстви тельностью, без смещения и ограничивающих уровней.

Программируемый бесконтактный датчик TLE4990 выпускается в тонком (1 мм) корпу се P-SSO-4-1. Программирование и калибров ка температурной компенсации выполняют ся для каждой ИС индивидуально в процессе сборки готового датчика, и записываются в OTPROM.

Два новых комплекта программирования и калибровки выпускаются компанией Ertec— недорогая стандартная версия PGSISI ($399) для лабораторных и оценочных исследований и производительная версия для массового про изводства [35]. Стандартная версия включает поддержку чтения, калибровки, программи рования и верификации двух параллельно включенных датчиков в дополнение к одно и двухточечной калибровке и 12-битному из мерению напряжения. Комплекты поставля ются в металлических корпусах. Обновление программного обеспечения поддерживается через Интернет. Данные передаются по интер фейсу USB (RS-232 дополнительно). Универ сальная аппаратная платформа ориентирована на будущие разработки и поддержку дру гих типов датчиков.

MLX90251

MLX90251 — более комплексная и высоко точная версия линейного датчика Холла от Melexis, полностью совместимая по назна чению выводов с MLX90215, но с улучшенны ми возможностями программирования прак тически всех возможных параметров выход ной характеристики (см. табл. 4) и хранения корректирующих коэффициентов в энерго независимой памяти EEPROM. MLX90251 включает активную схему цифровой коррек ции аналогового сигнала с 6 ЦАП и дополни тельным ФНЧ (рис. 12) [36].

Программируемый линейный датчик MLX90251
Рис. 12. Программируемый линейный датчик MLX90251

Программирование после сборки датчика позволяет осуществлять калибровку усиления, смещения и ограничивающих уровней в ши роких пределах с возможностью блокировки значений в регистре MEMLOCK EEPROM. Температурная компенсация смещения и чув ствительности (первого и второго порядка) гарантирует точность в автомобильном тем пературном диапазоне. Программирование 24битного идентификационного номера уп рощает технологический процесс массового производства.

Среднеквадратическое напряжение U0q в MLX9251 (OFFSET) регулируется с 10бит ным разрешением. Внутренняя смещающая точка AGND регулируется изменением соот ветствующего 10-битного кода U0q и допуска ет сдвиг регулируемого смещения в диапазо не –100% Udd...200% Udd, что обеспечивает пра вильную передаточную характеристику и в строго униполярном магнитном диапазоне.

Чувствительность MLX90251 контролирует ся различными параметрами, связанными с со ответствующими усилительными ступенями. Грубая регулировка чувствительности RG вы полняется с 4-битной коррекцией. Частота вос становления автоматически адаптируется к настройке RG для согласования ширины полосы частот усилителя c техникой активной дина мической компенсации «chopper».

Точная настройка усилительной ступени (FG) осуществляется с 10битной коррекцией. Диапазон усиления FG находится в пределах 1,0–2,5. Бит INVERTSLOPE может быть ис пользован при этом для фиксации знака чув ствительности.

Наклон (INVERTSLOPE) может быть фик сированным в данной системе или инверти рованным еще на этапе генерирования напря жения Холла в ИС (с битом INVERTSLOPE, установленным в 0, напряжение будет увели чиваться с приближением южного полюса маг нита). Минимальное и максимальное значе ния ограничивающих уровней MLX90251 CLAMP-LOW и CLAMP-HIGH регулируются также десятью битами каждое, что соответст вует шагу разрешения в 5 мВ.

EEPROM-память MLX90251 из соображе ний безопасности содержит дополнительный самодиагностический бит четности, который переводит выход в «сбойное» состояние в слу чае ошибки (также программируется). Для ми нимизации влияния выходной нагрузки этот сбойный уровень FAULTLEV может быть от веден к «Земле» или Vdd. Программируемая память EEPROM дополнительно состоит из ячеек с проверкой избыточности.

MLX90251 включает два программируемых ФНЧ, контролируемых 4-битным кодом и раз мещенных на ступенях усиления «chopper», и точной регулировки чувствительности. Код 0 соответствует минимальной фильтра ции и максимальной скорости переключения, но максимальным шумам. Код 15 обеспечи вает максимальную фильтрацию, то есть ми нимальную скорость и минимальные шумы.

Температурный коэффициент чувствитель ности вMLX90251 компенсирует температурное поведение целой системы вокруг датчика Холла (отрицательный температурный коэффициент магнита, вариации воздушного зазора, механи ческие допуски). Для оптимальной компенсации температурный коэффициент чувствительнос ти регулируется настройкой трех параметров.

Все комбинации TCW (3 бита) и TC (пер вый порядок компенсации — 5 битов) отно сятся к диапазону компенсации 0–2000 ppm/°C.

Выходная конфигурация буфера также мо жет быть выбрана для регулировки времени срабатывания усилителя, с тем чтобы приме нять любую емкостную нагрузку и улучшать напряжение насыщения.

Температурный дрейф U0q регулируется 4 битами на этапах заводского производства и устанавливается в 10 мВ для температурно го диапазона 25–150 °C.

Температурный коэффициент чувствитель ности второго порядка TC2ND (6 битов) поз воляет грубую температурную компенсацию полного температурного диапазона; параметр устанавливается Melexis в процессе фабрич ного тестирования ИС.

Для программирования MLX90251 предна значен программатор PTC-03 и специальное программное обеспечение с возможностями ручной настройки или автоматического реше ния и библиотекой подпрограмм [37].

Программирование MLX90251 выполня ется с использованием функциональных вы водов ИС Vdd («Питание»), Vss («Земля») и Out («Выход») через выходной вывод с по вышением напряжения питания до 9 В (внешние компоненты схемы также должны выдерживать это напряжение).

Новинки 2005 года

A1301/2 Allegro Microsystems

Начало 2005 года отмечено появлением че тырех микросхем от Allegro Microsystems.

A1301 и A1302 — семейство стандартных линейных датчиков, доступных в корпусе SOT23W, предназначенное для работы при тем пературах до 125 °C. Среднеквадратическое на пряжение программируемых в фабричных ус ловиях ИС составляет 50% Vdd, чувствитель ность — 13 мВ/мТл (ИС A1302, предполагаемая как замещение A3503) и 25 мВ/мТл (A1301) [38].

A1373/4 Allegro Microsystems

Новинки февраля 2005 года A1373 и A1374 [39] — однократно программируемые линей ные датчики Холла, использующие для про граммирования выходной вывод. Нацеленные на автомобильный и рынок промышленных систем, A1373 и A1374 выпускаются в 3-про водном линейном корпусе SIP-3 и характери зуются малыми выходными шумами.

Гарантирующая прецизионность в полном температурном диапазоне и диапазоне напря жения питания техника «chopper — stabilization» от Allegro Microsystems, называемая «dynamic quadrature offset cancellation», обеспечивает ми нимальное начальное смещение и его мини мальный температурный дрейф (рис. 13).

Программируемые линейные датчики A1373/4
Рис. 13. Программируемые линейные датчики A1373/4

Техника снижения сдвигов основана на по следовательных этапах модуляции и демоду ляции сигнала, в котором смещения удаля ются через модуляцию в частотной области. Демодуляция представляет собой модуляцию смещений, в результате чего магнитный сиг нал восстанавливает свой оригинальный спектр на данной базовой полосе частот, а сме щения, наведенные постоянным током, образуют высокочастотный сигнал. Магнитный сигнал фильтруется ФНЧ и модулированные смещения подавляются.

Для демодуляции используется ступень вы борки и хранения, в которой выборка выпол няется с частотой вдвое большей, чем для ди намического переключения (400 кГц). Высо кая скорость оценки обеспечивает высокую точность и быстродействие схемы.

Программирование позволяет разработчи ку регулировать усиление (чувствительность) и среднеквадратическое напряжение с возмож ностью грубой и точной (с шагом 5 мВ для U0q и 5 мВ/мТл для чувствительности) регулиров ки, а также температурный коэффициент, что минимизирует эффекты механических и маг нитных смещений вследствие сборки. Оба ус тройства могут быть запрограммированы на униполярную или биполярную работу.

Различие между устройствами — в шири не их полосы рабочих частот: верхняя часто та A1374 выше и, таким образом, образуется несколько более высокий выходной шум (14–26 мВ по сравнению с 6–16 мВ у A1373).

Программирование A1373 и A1374 с исполь зованием выходного вывода специально пре дусмотрено для устранения потенциальных конфликтов в течение программирования, ко торые случаются, когда пиковые значения вы соких уровней связываются с Ucc , где могут находиться дискретные компоненты.

В процессе программирования A1373/4 за действуются четыре относительных уровня выходного напряжения:

  • UPH — высокое напряжение программирования (строб уровнем 28 В и длительностью 1–35 мкс, соответствующий выбору режима, регистра и генерации в ИС внутренних импульсов изменения состояния);
  • UPM — среднее напряжение программирования (нейтральный уровень в 15 В для разделения UPH и UPL);
  • UPL — низкое напряжение программирования (кодовые импульсы уровнем 5 В для индикации адресов настраиваемых битовых областей регистров и записи значений);
  • UR — напряжение очень низкого уровня (близкое к нулю) для инициализации битовых областей.

Для программирования датчиков предназ начен комплект ASEK-01 (Allegro Sensors Evaluation Kit), включающий аппаратное ASEK Board Rev. 2 и программное ASEK software Rev. 1.5.4 средства, а также дополнительную кали бровочную плату Calibration Board Rev. 2. Комплект рассчитан на программирование небольших объемов датчиков и использова ние преимущественно в исследовательских и демонстрационных целях.

Кроме A1373/4, данный комплект поддер живает также программирование точек пере ключения двухпроводных ключей A118x и униполярных коммутаторов с открытым коллектором A325x, а также униполярных сме щаемых модулей ATS635/6.

Интегрированная обработка сигнала с использованием двойного преобразования АЦП — ЦАП на примере HAL805

Данный способ позволяет с более высокой точностью корректировать нелинейность, уси ление и смещение (см. табл. 4). Например, в про граммируемой ИС Холла типа HAL805 [40] на пряжение Холла оцифровывается АЦП и обра батывается в интегрированном блоке цифровой обработки сигнала в соответствии со значени ями регистров перепрограммируемой памяти EEPROM, а затем вновь преобразуется ЦАП в ратиометричное аналоговое напряжение, ко торое стабилизируется выходной двухтактной транзисторной ступенью (рис. 14 а и б).

Пока регистр блокировки в EEPROM не со держит запрещающих битов, выходная харак теристика датчика может программироваться и перепрограммироваться установкой значе ний остальных регистров. Программирование HAL805 осуществляется модуляцией напряже ния питания, при этом никакого дополнитель ного, даже тестового вывода, не требуется (MLX90215 c OTPROM иMLX90251 с EEPROM, а также TLE4990 снабжаются специальным те стовым выводом, преимущественно для тес тирования в заводских условиях). К одним и тем же шинам питания и «земли» могут па раллельно подключаться несколько датчиков с возможностью индивидуального програм мирования, с выбором устройства через его выходной вывод.

Когда диапазон входного напряжения ранжи рован Udd от 4,5 до 5,5 В, датчик (HAL805/815) образует аналоговое выходное напряжение. После детектирования команды программи рования на входе датчик читает и записывает регистры памяти и формирует цифровой вы ходной сигнал.

Дополнительные элементы датчиков HAL805— схема детектирования обрыва шины Udd или «Земли», интегрированная схема температур ной компенсации и техника динамической от мены сдвигов, минимизирующие дрейф точ ности и обеспечивающие высокую стабильность смещения. Схема датчика также сбрасывает дрейф смещения вследствие механических на пряжений, возникающих в корпусе ИС.

ЦОС является главной частью датчика и вы полняет обработку сигнала. Параметры ЦОС запасаются в регистрах EEPROM, объединен ных в три группы:

  • Группа 1— регистры для адаптации датчика к магнитной системе:
    –MODE — выбор магнитного диапазона
    RANGE и частоты ФНЧ на уровне 3 дБ (FILTER);
    – температурные коэффициенты TC и TCSQ
    для регулировки температурных характеристик чувствительности.
  • Группа 2 — регистры для определения передаточной характеристики: – SENSITIVITY — магнитная чувствительность;
    –U0q — выходное среднеквадратическое напряжение в отсутствие поля (при B = 0 мТл);
    –CLAMP-LOW, CLAMP-HIGH — минимальный и максимальный ограничивающие уровни выходного напряжения (полезны также для детектирования сбоевнапример, закорачивания Udd на землю и обрывов);
  • Группа 3— кодовые регистры со специальными настройками Micronas (доступные только для чтения) и регистр блокировки LOCK.

Из соображений безопасности память EEPROM состоит из ячеек с избыточностью.

Исключительной особенностью HAL805 и большинства представителей семейства HAL8xx Micronas (кроме HAL85x — см. далее) является наличие специального 14-битного ре гистра ADC-READOUT, который осуществля ет считывание цифрового значения фактичес кого магнитного поля, воздействующего на дат чик, прежде обработки сигнала в блоке ЦОС.

Этот регистр может быть прочитан про граммным обеспечением, выполняющим со пряжение программатора и ПК, и является ос новой для проведения процедуры калибров ки датчика в рабочем окружении.

АЦП преобразует усиленное положитель ное (соответствует южному полюсу магнита) или отрицательное напряжение Холла (соот ветствует северному полюсу) в цифровое зна чение. Цифровой сигнал фильтруется ФНЧ и считывается регистром ADC-READOUT.

В зависимости от выбранного при програм мировании магнитного диапазона (содержи мое регистра MODE — три младших бита, оп ределяющих параметр RANGE) рабочий диа пазон АЦП составляет от –30...+30 мТл до –150...+150 мТл.

В течение последующей обработки этот ци фровой сигнал умножается на значение чув ствительности и суммируется со среднеквад ратическим напряжением, а также ограничи вается при этом ограничивающими уровнями. Полученный цифровой результат вновь пре образуется в аналоговое напряжение.

Содержимое регистра ADC-READOUT за висит также от выбранной частоты ФНЧ-ко да, определенного тремя старшими битами MODE (80 Гц – 2 кГц).

Температурная компенсация магнитной чувствительности может быть адаптирована к различным магнитным материалам через программирование TC — линейного температурного коэффициента (–3100... 400 ppm/K) и TCSQ — квадратичного температурного ко эффициента (–5...5 ppm/K2). Наклон и кри визна температурной зависимости магнитной чувствительности могут быть согласованы с условиями сборки, выходная характеристи ка, как результат, может быть фиксированной в полном температурном диапазоне.

Регистр SENSITIVITY содержит параметры умножителя ЦОС (–4...4). Для Udd = 5 В со держимое регистра может быть изменено сша гом 0.00049. SENSITIVITY = 1 соответствует увеличению выходного напряжения до Udd, если ADC-READOUT увеличивается на 2048:

Регистр UOQ содержит параметры сумматора ЦОС (содержимое регистра ADC-READOUT = = 0 при B = 0 мТл) и программируется в диа пазоне от –Udd до Udd. Для Udd = 5 В, содержи мое регистра может быть изменено с шагом 4,9 мВ.

U0q в регистре UOQ может быть запрограм мировано и как отрицательное напряжение, но при этом максимальное выходное напря жение ограничивается согласно выражению:

Для калибровки HAL805 в рабочих услови ях Micronas рекомендует процедуру двухто чечной калибровки, в которой подходящие значения чувствительности SENSITIVITY и UOQ являются вычислимыми индивидуаль но для каждого калибруемого датчика.

Регистр CLAMP-LOW программируется в ди апазоне 0 В...Udd/2, регистр CLAMP-HIGH— в диапазоне 0 В...Udd. Для Udd = 5 В значение этих регистров может быть изменено сшагом 2,44 мВ.

Установкой 1-битного регистра LOCK все регистры могут быть заблокированы, и дат чик не будет далее воспринимать модуляции напряжения питания. Этот бит становится ак тивным после первой последовательности от ключения — подачи питания после установ ки бита LOCK.

Программирование HAL805

Программирование HAL805 выполняется передачей последовательного кода при моду ляции напряжения питания; датчик отвечает цифровым выходным сигналом.

Существуют следующие биты кода, переда ваемого по цепям питания и выхода: Sync Bit (логический нуль), 3-битный код команды Command (COM), бит четности команд Command Parity Bit (CP), 4 бита адресного ко да Address (ADR) и бит четности адресного ко да Address Parity Bit (AP), 14 битов данных Data Bits (DAT), бит четности данных Data Parity Bit (DP), Acknowledge Bit (логический нуль).

Биты последовательного кода характеризу ются различным временем передачи по цепям Udd и выхода. Битовое время цепи Udd опре деляется длиной бита Sync, битовое время вы хода определяется битом Acknowledge. Логический ноль кодируется отсутствием измене ний в напряжении в пределах битового вре мени. Логическая единица кодируется как из менение в напряжении в пределах 50–80% би тового времени. После передачи каждого бита напряжение изменяется.

Различают 4 вида последовательного кода при программировании датчика HAL805:

  • Запись значений регистра (за битом AP следуют 14 битов данных DAT и бит четности данных Data Parity Bit (DP), при подтверждении правильности за данными следует Acknowledge Bit.
  • Чтение регистра, датчик отвечает последовательным кодом из бита Acknowledge, 14 битами данных и битом четности данных Data Parity на выходе.
  • Программирование EEPROM (датчик отвечает битом Acknowledge). После времени задержки tw напряжение питания повышается до напряжения программирования.
  • Активизация датчика (если более чем один датчик подсоединен параллельно к линии питания, выбор производится с импульсом Activate на выходе датчика c деактивацией остальных датчиков, выходы которых подсоединяются к земле через резисторы 10 кОм).

В течение программирования уровень на пряжения программирования по цепи пита ния составляет 12,5 В (в пределах 100 мс). Все компоненты, подсоединенные к цепи Udd, также должны выдерживать это напряжение.

Другие представители семейства HAL8xx Micronas

HAL810, в отличие от прототипа HAL805, характеризуется 8-битным ШИМ выходом, что снимает необходимость интерфейсного АЦП и снижает цену [41].

Принцип обработки сигнала, большинство задействуемых при этом регистров и последо вательность программирования HAL810 пол ностью идентичны HAL805, но с разницей в тер минологии, используемой для описания ШИМ сигнала об абсолютном положении (рис. 8 г), и в содержании и названии регистров группы для индивидуальной калибровки датчиков:

  • Параметр DCOQ (выходной среднеквадратический рабочий цикл) — эквивалентен среднеквадратическому напряжению и соответствует B = 0 мТл.
  • DCSensitivity определяет магнитную чувствительность:

Рабочий цикл выхода рассчитывается как

Диапазон рабочего цикла выхода ограни чивается установкой содержания регистров MIN-DUTY и MAX-DUTY.

HAL815 является расширением HAL805 и ха рактеризуется диагностической функциональ ностью для гарантированного получения корректного выхода при вариациях напряжения питания. При превышении уровня напряже ния питания 5 В HAL815 вырабатывает специ альный предупреждающий сигнал [42].

HAL85x, введенные в 2004 году, являются дальнейшим расширением семейства HAL8x5 и предполагают произвольную выходную ха рактеристику, в том числе двухпроводной вы ход для HAL856 (рис. 14 в) [43].

Содержимое регистров группы 2 определя ет 5 (7 в HAL856) параметров выходной харак теристики ИС:

  • SLOPE — магнитная чувствительность;
  • SHIFT — рабочий цикл B = 0 мТл;
  • OUTPUT FORMAT (выбор из форматов ШИМ, так называемого Split-ШИМ, и последовательного протокола Biphase-M);
  • OUTPUT PERIOD (BITTIME) — период выходного ШИМ-сигнала;
  • OUTPUT CHARACTERISTIC (установка 32 точек калибровки).

В HAL856 дополнительно имеются регистры значений тока потребления: LOW CURRENT и HIGH CURRENT. Параметр SLEW RATE (время спада) ШИМ-выхода HAL855 также программируется.

Кроме того, группа специальных регист ров HAL85X включает регистр серийного но мера PARTNUMBER. Для считывания циф рового значения после стадий АЦП и ЦОС в блоке DSP предназначен 12-битный регистр DIGITAL OUTPUT. Значения этого регистра доступны «только для чтения» и использу ются при калибровке HAL85X, аналогичной HAL805.

Калибровка HAL805 в рабочем окружении

Для осуществления калибровки HAL8xx в рабочем окружении Micronas выпускает ком плекты программирования с универсальной аппаратной частью Hall programmer board V 5.1 для осуществления программирования по ин терфейсу RS232 ПК (рис.14 г) и программно го обеспечения для изменения значений ре гистров, существующего для каждого из под держиваемых типов датчиков, — HAL8xx, HAL1000, HAL1500 [44].

Предполагается следующая последователь ность калибровки датчика:

1. Установка входных значений регистров, об щих для данной магнитной системы изде лия, индивидуально не регулируемых (маг нитные параметры, частота, ограничиваю щие уровни):

  • FILTER;
  • RANGE;
  • TC, TCSQ;
  • CLAMP-LOW и CLAMP-HIGH.
  • Установка точек калибровки, вычисление среднеквадратического напряжения U0q и чувствительности:

      Система (например, датчик положения дроссельной заслонки — см. далее) переводится в первую точку калибровки и считывается содержимое регистра ADC-READOUT. Результатом является значение параметра ADC-READOUT1, соответствующее выходному напряжению датчика UOUT1.
      Система переводится в точку калибровки 2, снова прочитывается значение регистра ADC-READOUT и присваивается параметру ADC-READOUT2, соответствующему UOUT2.
      На основе полученных значений регистра ADC-READOUT и целевых UOUT1 и UOUT2 рассчитываются чувствительность S и среднеквадратическое напряжение U0q:
  • Полученные значения S и U0q «запасаются» в соответствующих регистрах энергонезависимой памяти датчика.

3. Блокировка значений регистров — завер шающий шаг программирования, выпол няемый активацией LOCK-функции датчи ка подачей одноименной команды «LOCK». Однажды активированный, регистр LOCK не может быть сброшен (блокировка MLX90215 или MLX90251 может быть сня та переключением тестового вывода).

Калибровка датчика положения дроссельной заслонки

Входными данными для датчика положе ния дроссельной заслонки, варианты конст рукции которого показаны на рис. 1, 6 и 7, с выходной характеристикой, аналогично по казанной на рис. 1 б и кривой 1 на рис. 8 в яв ляются:

  • полный угловой диапазон –60...60°;
  • эффективный угловой диапазон –45...45°;
  • функциональный диапазон –42...42°;
  • температурный коэффициент магнита –500 ppm/K;
  • рабочая частота менее 500 Гц;
  • магнитный диапазон –30...30 мТл.

Калибровка может быть выполнена и вруч ную, но предпочтительно выполнять ее с исполь зованием программного обеспечения Micronas.

Шаг 1. Устанавливаются значения регистров:

  • FILTER = 500 Гц;
  • RANGE = 30 мТл;
  • TC = 6;
  • TCSQ = 14;
  • CLAMP-LOW = 0,5;
  • CLAMP-HIGH = 4,5.

По команде «write and store» данные значе ния записываются в EEPROM.

Шаг 2. Устанавливаются точки калибровки, среднеквадратическое напряжение и чувствительность — по команде CALIBRATE, с вводом значений 4,5 В для UOUT1 и 0,5 В для UOUT2.

1. Вращением магнита определяется нулевое положение магнита (рис. 6 г, рис. 7 б и г)— тест ориентации путем просмотра содержи мого регистра ADC-READOUT (кнопка «Read ADC-READOUT1»). При B = 0 мТл ADC-READOUT = 0.

2. Относительно нулевого положения вы полняется поворот магнита против часо вой стрелки на угол φ = –45° — первая точ ка калибровки, в которой прочитывается содержимое регистра ADC-READOUT, запасаемое в ADC-READOUT1 (кнопка «Read ADC-READOUT1»).

3. Механический перевод магнита из первой точки калибровки во вторую осуществля ется при его повороте по часовой стрелке на угол Φ = 90° (+45° относительно нуля). Содержимое регистра ADC-READOUT про читывается повторно и запасается в ADCREADOUT2 (кнопка «Read ADC-READOUT2»).

4. Чувствительность и среднеквадратическое напряжение рассчитываются вручную или автоматически с применением программно го обеспечения Micronas (кнопка «Calculate»).

F7

5. Программирование датчика с записью вы численных значений регистров выполняет ся по команде «write and store».

Шаг 3 (блокировка датчика) является нео бязательным и в данном устройстве не выпол няется.

В конструкции датчика положения дроссель ной заслонки (см. рис. 1, 6, 7) применение про граммируемой ИС Холла типа HAL805 позво ляет устанавливать практически произвольное расстояние между ИС и магнитом (определять его целиком из конструктивных соображений), что означает упрощение конструкции устрой ства, технологии его сборки и монтажа, и, вме сте с использованием различных механических средств в конструкции датчика (рис. 1 а, 6, 7),— развитие адаптационных признаков устройст ва к конкретным условиям работы. Преимуще ства EEPROM по сравнению сOTPROM очевид ны: программирование может выполняться не однократно, что позволяет минимизировать потери и выявлять ошибки еще в процессе сбор ки устройства.

Другим удачным примером для применения программируемых датчиков Холла может по служить система пневматической подвески, ко торая допускает регулировку высоты транспорт ного средства (амортизаторов) для обеспечения стабильного положения автомобиля на дороге, оптимального комфорта езды и стабильности управления. Система пневматической подвес ки может использоваться совместно с система ми контроля усилия демпфирования; функция ручного выбора высоты машины улучшает уп равляемость транспортного средства и харак теристики вождения на неровных дорогах.

Заключение

Программируемые датчики положения сни жают цену производства и сборки датчиков и улучшают характеристики автомобиля. Их ис пользование позволяет производителю транс портного средства осуществлять электронную калибровку датчика с использованием специаль ных стендов как до (датчик положения дроссель ной заслонки), так и после его установки в авто мобиль (датчик подвески), минимизировать до пуски монтажа, снижать цену сборки автомобиля и вводить в эксплуатацию под собственным брендом (OEM-заказ), уменьшая гарантийные издержки и затраты на сертификацию.

Текущее состояние современной элементной базы классических датчиков Холла, доступных в интегральном исполнении для разработки новых изделий, отражено в таблицах 3 и 4.

Автор надеется, что популяризация интег ральных программируемых датчиков, сравни тельный анализ технологий эффекта Холла на примере новых разработок и информация о последних достижениях в этой области по могут разработчикам эффективно и быстро конструировать новые автомобильные датчи ки положения, с оптимальным соотношени ем «цена — качество».

Литература

  1. Rotary position sensor with circular magnet. US Patent 5 818 223. Опубл. 6.10.1998. (Durakool, Inc.)
  2. Contactless linear angular position sensor having an adjustable flux concentrator for sensitivity adjustment and temperature compensation. US Patent 5 332 965. Опубл. 26.07.1994. (Durakool, Inc.).
  3. Mechanically adjustable linear-output angular position sensor. US Patent 5 497 081. Опубл. 5.03.1994. (Durakool, Inc.).
  4. Sensors Overview and System Solutions. http://www.micronas.com/products/overview/ sensors/index.php
  5. Hall Effect Sensing And Application. http://content.honeywell.com/sensing/ prodinfo/solidstate/technical/hallbook.pdf
  6. Gilbert J., Dewey R. Linear Hall-Effect Sensors. APPLICATIONS INFORMATION. Application Note 27702A. Allegro Microsystems. http://www.allegromicro.com/techpub2/an/ an27702.pdf
  7. MLX90242 Linear Hall Effect Sensor. Data Sheet 3901090242 Rev. 024 Mar 2004. Mar/04. http://www.melexis.com/prodfiles/MLX9024 2_rev024.pdf
  8. Electronic circuit for automatically compensating for errors in a sensor with an analog output signal. US Patent 5 757 181. Опубл. 26.05.1998. (Durakool, Inc.).
  9. Steinbeiser C., Riendeau P. Programmable Sensors. www.sensorsmag.com. 32. MLX90215 Precision Programmable Linear Hall Effect Sensor. Data Sheet 3901090215 Rev 007. 9.09.03. Melexis. http://www.melexis.com/ prodfiles/MLX90215_Rev007.pdf
  10. PTC-01 Programmer for Melexis PTC Devices. http://www.melexis.com/prodfiles/ptc1.pdf. http://www.melexis.com/prodmain.asp?family= PTC-01
  11. TLE4990. Programmable Linear Output Hall Sensor. Data Sheet, V 2.2, Nov. 2004. http://www.infineon.com/cmc_upload/documents/ 010/3853/TLE4990DataSheet_V2_2.pdf
  12. Programming and Calibration kit for Infineon Hall Sensor TLE4990. http://www.ertec.com/pgsisi.htm, http://www.ertec.com/pdf/pgsisi.pdf
  13. MLX90251 Programmable Linear Hall Effect Sensor Data Sheet 3901090251 Rev. 003 Jun/04. http://www.melexis.com/prodfiles/MLX90251_004.pdf
  14. PTC-03 Programmer for Melexis PTC Devices. http://www.melexis.com/prodmain.asp?search=PTC%2D03&family=PTC-03%20Progra mmer, http://www.melexis.com/prodfiles/PTC03_manual_1.pdf
  15. Continuous-Time Ratiometric Linear Hall Effect Sensors. http://allegromicro.com/datafile/1301.pdf
  16. High Precision, Output Pin Programmable Linear Hall Effect Sensors. http://www.allegromicro.com/datafile/1373.pdf
  17. HAL805 Programmable Linear Hall Effect Sensor Data Sheet. Edition June 24, 2004. Micronas. http://www.micronas.com/products/documentation/sensors/hal805/downloads/hal805_2ds.pdf
  18. HAL810 Programmable Linear Hall Effect Sensor. DATA SHEET Edition June 24, 2004. Micronas. http://www.micronas.com/products/documentation/sensors/hal810/downloads/hal810_3ds.pdf
  19. HAL815 Programmable Linear Hall Effect Sensor. DATA SHEET. Edition June 24, 2004. Micronas. http://www.micronas.com/products/documentation/sensors/hal815/downloads/hal815_2ds.pdf
  20. HAL 85x Programmable Linear Hall-Effect Sensor. Advance Information. Edition March 8, 2004. Micronas. http://www.micronas.com/products/documentation/sensors/hal85x/downloads/hal85x_1ai.pdf
  21. HAL8xx, HAL1000, HAL1500 Programmer Board. Application Note Kits/Boards. Edition Aug. 12, 2004. Micronas. http://www.micronas.com/products/documentation/application_notes/hal8xx_1000_1500_1_1ak.pdf

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке