Автомобильные бесконтактные датчики магнитного поля. Новый взгляд на разработку и применение мостовых ASIC

Введение

Основным современным типом автомобильных датчиков скорости и положения являются датчики Холла, представляющие собой высокоинтегрированные CMOS-микросхемы с чувствительными элементами Холла и ASIC, которая обеспечивает готовый выход скорости или положения для прямого подключения к МК. Поскольку CMOS ASIC легко допускают однокристальную интеграцию с планарными элементами Холла, современные интегральные датчики Холла представляют собой однокристальные ASIC Холла, выпускаемые в широком ассортименте для автомобильных систем контроля коробки передач, коленчатого вала, частоты вращения колес, угла поворота дроссельной заслонки, рулевого колеса и многих других. Измерительные системы включают постоянный магнит для создания рабочего магнитного поля, изменение которого обнаруживает интегральный магниточувствительный датчик. Полный список публикаций автора с информацией по данной теме выложен на странице [1].

На данный момент характеристики типичных автомобильных бесконтактных датчиков Холла [2–5] уже не удовлетворяют требованиям автомобильных электронных систем нового поколения в отношении измерительной точности и отдельно взятых характеристик. Эффект Холла имеет ключевой недостаток, состоящий в низкой чувствительности на первичном уровне, и, как следствие, ограничениях в отношении разрешения, соотношения сигнал-шум (SNR), рабочего расстояния (зазора) между датчиком и ротором, необходимости в усилении и низкой помехоустойчивости первичного сигнала и потребности в сложной схеме обработки и фильтрации сигнала от шумов. Кроме того, эффект Холла чувствителен к перпендикулярному магнитному полю, и ввиду особенностей измерительных конфигураций получается, что датчики Холла чувствительны именно к изменению воздушного зазора, но менее восприимчивы в направлении, соответствующем изменению магнитного поля при движении ротора. Базовым свойством эффекта Холла является линейность, но в угловых системах фактические зависимости выходного сигнала датчика от магнитного поля становятся синусоидальными, то есть нелинейными.

Характеристики датчиков Холла и постоянных магнитов подвержены влиянию перепадов температур, механическим воздействиям (вибрациям, ударам), старению, вследствие чего ASIC Холла интегрируют весьма сложные схемы обработки сигналов.

Все это ограничивает измерительную точность и круг применений датчиков Холла в автомобильных системах следующего поколения.

Магниторезистивные датчики на основе так называемых XMR-эффектов (в аббревиатуре MR означает магниторезистивный тип эффекта, уточняемый буквой X, — АМР, ГМР, ТМР) обладают широким набором преимуществ в сравнении с датчиками Холла — в первую очередь все они в той или иной степени более чувствительны к изменениям магнитного поля, причем не к абсолютной величине, а к направлению параллельного магнитного поля, то есть все XMR чувствительны именно в направлении, соответствующем изменению магнитного поля при движении ротора, но нечувствительны ни к абсолютной величине зазора, ни к его изменениям. ASIC XMR-датчиков могут быть весьма простыми, так как уровень первичного сигнала высокий, а, например, ГМР- и ТМР-датчики не требуют даже усиления. Сегодня уровень развития XMR-технологии повышается, и в настоящее время на рынке представлены высокоинтегриро-ванные модульные АМР- и однокристальные АМР- и ГМР-датчики.

Впрочем, собственно XMR-технология в целом недостаточно развита. Техническое воплощение МР-мостов, достижение высоких измерительных характеристик МР-датчиков, интеграция с ASIC сами по себе более сложные задачи, чем интеграция с ASIC планарных элементов Холла.

Автором в свое время были разработаны различные автомобильные АМР- и ГМР-датчики скорости и положения на основе датчиков высокого уровня интеграции [6, 7, 8]. Но и такие разработки уже не в состоянии удовлетворить растущие требования автомобильных электронных систем управления следующего поколения, как и датчики Холла.

Существует объективная потребность в более высокоразрешающих датчиках, еще на первичном уровне обеспечивающих разрешение в пределах магнитного периода ротора свыше 10 бит. Магнитные угловые энкодеры, основная масса которых основана на эффекте Холла, уже способны определять угловое положение малого дипольного магнита с разрешением 10-18 бит. Впрочем, максимум для разрешения этих датчиков теоретически ограничен 14 бит, а 18 бит достигается в нониусной измерительной системе (со второй шкалой ротора). Существует альтернативный путь — использование роторов с одной измерительной шкалой, но более высокоразрешающих датчиков.

Увеличение разрешения — задача, требующая воплощения на уровне датчика и ротора. Она может быть решена с помощью более высокочувствительных и высокоразрешающих датчиков и высокоразрешающих роторов с большим числом кодовых элементов. Это касается не только датчиков положения, но и датчиков скорости.

Та же задача — повышение разрешающей способности — существует и для автомобильных датчиков скорости, которые используются для определения уникального, или сигнатурного положения (например, датчики фазы, датчики положения коленчатого вала). За пределами рассмотренных выше автомобильных задач имеется большое число неавтомобильных приборов и систем, где требуется с более высоким разрешением и точностью определять скорость и положение в пределах полного оборота ротора в 360° или в пределах полного хода линейки.

Есть объективная потребность и в расширении диапазона рабочего воздушного зазора и других допусков монтажа бесконтактного датчика относительно ротора, поскольку монтаж производится на глаз или даже вслепую. Важно, чтобы механические допуски повышали удобство монтажа, увеличивая диапазон возможных смещений, наклонов, перекосов, шатаний, радиальных или осевых биений, но без влияния на измерительную точность устройства. Решение данной задачи возможно с помощью датчиков, высокочувствительных к рабочему магнитному полю в выбранном направлении, но менее или совсем нечувствительных к смещениям в других направлениях — как в статике, так и в динамике.

Поскольку многие автомобильные и неавтомобильные датчики скорости функционируют в условиях не только механических вибраций, ударных ускорений, но и пониженных и повышенных температур (в том числе и перепадов температур), пониженных и повышенных напряжений, обрывов проводов, необходимы интегральные датчики, более механически и температурно-стабильные и помехозащищенные еще на первичном уровне — уровне сенсорного элемента. В схеме датчика (ASIC) также должны быть предусмотрены различные меры по уменьшению, компенсации или защите от влияния вышеперечисленных воздействий.

Важнейшей задачей новых разработок является обеспечение более высокой адаптивности устройства к задачам и условиям работы конкретной системы. Адаптивность, в частности, означает потребность в ASIC, выполняющих преобразование первичных сигналов датчиков в сигналы скорости и положения в заданном формате, также с высоким разрешением и точностью, достаточным быстродействием. Разработка ASIC-датчиков скорости и положения нового поколения становится весьма актуальной задачей для всех интегральных магниточувствительных компонентов, и даже высокоинтегрированные ИС Холла здесь не исключение. Но и среди задач, реализуемых датчиками Холла, находятся такие, которые могут более полно осуществляться с помощью нестандартных ASIC. Таким образом, требуется разработка концепции системного объединения сенсорной части с ASIC, использование которой может дать еще более высокие измерительные характеристики и гибкую адаптацию устройства к задачам и условиям работы конкретной системы.

Новые тенденции включают снижение энергопотребления датчиков, комплексную миниатюризацию системы, что подразумевает не только уменьшение габаритов, но и снижение веса и числа механических и электрических и электронных компонентов, более высокую надежность и функциональную безопасность. Соответствие данным тенденциям в максимальном объеме тоже входит в круг вопросов новых разработок и распространяется и на сенсорную часть, и на ASIC.

Для решения всех поставленных выше задач необходимо применение в качестве интегрального магниточувствительного измерительного компонента датчиков на основе ТМР-эффекта и их объединение в измерительной системе с роторами следующего поколения и ASIC-интерфейсами.

ТМР-датчики скорости и положения

ТМР-эффект отличается высокой чувствительностью, высоким уровнем первичного сигнала без необходимости его усиления, высокой температурной стабильностью, широким диапазоном доступных рабочих расстояний, способностью детектирования слабых магнитных полей, физической чувствительностью именно к изменениям магнитного поля в направлении вращения ротора и нечувствительностью к изменениям зазора, устойчивостью к механическим и магнитным смещениям и рядом других преимуществ, представляющих особый интерес для применения в автоэлектронике.

Автомобильные ТМР-датчики скорости и положения, разработанные автором, впервые демонстрировались в [9]. На данный момент автором создано гораздо большее число исполнений датчиков положения, некоторые из них выполнены на основе конструкций датчиков скорости и отличаются типом ротора и типом интегрального датчика (двухосевой магнитный энкодер вместо одноосевого датчика). На основании схожести конструкций и способности измерять как скорость, так и положение, в особую группу выделены бесконтактные датчики скорости и положения, рассматриваемые в данной статье. В свою очередь, данная группа подразделяется на:

• одноосевые датчики ферромагнитного или магнитного многополюсного ротора;
• двухосевые датчики дипольного ротора.

Одноосевой бесконтактный датчик скорости и положения ферромагнитного или магнитного многополюсного ротора

На рис. 1-5 показаны исполнения ТМР-датчика скорости и положения ферромагнитного зубчатого ротора. Исполнение на рис. 1 полностью совместимо с существующими измерительными системами датчиков скорости автомобиля (ДСА).

Рис. 1. Стандартный автомобильный бесконтактный датчик скорости и положения ферромагнитного зубчатого ротора: разрешение 64 бит

При разработке данного устройства в качестве магниточувствительных датчиков использовались коммерчески доступные специализированные ТМР-датчики скорости ферромагнитного зубчатого ротора и углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита от компании MultiDimension Technology Co., Ltd., выпускаемые в виде магниточувствительных ТМР-элементов в корпусах интегральных микросхем.

Магнитный ТМР-датчик зубчатого ротора от MDT MMGX45 представлен на рис. 2. Специализированный мостовой ТМР-датчик зубчатого ротора MDT MMGX45 выпущен в 6 различных стандартных вариантах — для шагов роторов в 0,25 мм, 0,5 мм, 0,75 мм, 1 мм, 2 мм и 3 мм и доступен в любом из двух типов корпуса с малым форм-фактором. В зависимости от исполнения датчик скорости включает один или два полных моста Уитстона с четырьмя или восемью неэкранированными высокочувствительными сенсорными ТМР-элементами. В зависимости от исполнения, требуемого для данного шага роторов, датчик изготовляется в одном из двух типов корпусов LGA, размеры которых составляют 3×3×0,9 мм и 3×6×0,9 мм.

Рис. 2. MMGX45 — специализированный ТМР-магнитный датчик зубчатого ротора от MDT:
а) внешний вид; б, в) блок-диаграммы:
б) одномостовая конфигурация;
в) двухмостовая конфигурация;
г—е) конфигурация выводов для различных исполнений и типов корпусов

Исполнение на рис. 3 показывает возможность использования для данной компонентной базы MDT MMGX45 высокоразрешающих ферромагнитных зубчатых роторов. На рис. 4 представлено еще более высокоразрешающее исполнение ТМР-датчика угловой скорости и положения ферромагнитного ротора, а на рис. 5 — магнитного многополюсного ротора.

Рис. 3. Высокоразрешающий автомобильный бесконтактный датчик скорости и положения ферромагнитного зубчатого ротора: разрешение 256 бит

Рис. 4. Высокоразрешающий автомобильный бесконтактный датчик скорости и положения ферромагнитного зубчатого ротора: разрешение 1024 бит

Рис. 5. Высокоразрешающий автомобильный бесконтактный датчик скорости и положения магнитного многополюсного ротора: разрешение 1024 бит

Бесконтактный датчик скорости и положения состоит из двух основных компонентов — статора (1), то есть собственно бесконтактного датчика скорости и положения, и ротора (2). Статор датчика (1) представляет собой сборочную единицу корпуса (3), объединяющую сборочную единицу верхней части корпуса (4) с электронным блоком (5), деталью нижней части корпуса 6 или материалом для обливки пластмассой нижней части сборочных единиц (3) и (4), крепежной деталью (7) и уплотнительным кольцом (8). Электронный блок (5) включает магниточувствительный датчик (9) в интегральном корпусе и аксиально намагниченный постоянный магнит (10) обратного смещения, печатную плату (11), контакты (12). Выводы интегрального датчика (9) запаяны на плате (11) способом поверхностного монтажа, контакты (12) запаяны на плате (11). В составе электронного блока (5) контакты (12) запрессовываются в корпусную деталь (13), формируя сборочную единицу корпуса (4), а затем сборочную единицу корпуса (3). ASIC датчика может быть объединена с магнито-чувствительным датчиком (9) в том же самом интегральном корпусе либо размещена в отдельном интегральном корпусе (14).

Интегральный магниточувствительный датчик (9) имеет постоянное направление чувствительности, в соответствии с которым он однозначно устанавливается в корпусе датчика. Магнит (10), например из ферритового материала (типа Ceramic 8) или материала типа «Алнико» (Alnico 8), жестко устанавливается таким образом, что ось легкой намагниченности перпендикулярна плоскости, образованной вращением чувствительной оси датчика (9) в его плане, при этом магнит (10) центрирован относительно оси симметрии датчика (9). Магнит (10) может быть установлен непосредственно на плате (11) (приклеен). Как вариант, магнит может быть смонтирован как в патенте [3, 7], а именно запрессован и вклеен в пластмассовом корпусе, оплавленном на плате со стороны датчика, или размещен в специальном пазе платы.

Бесконтактный датчик скорости и положения предполагает использование большого числа типов ферромагнитных зубчатых роторов (2), в том числе штампованного типа. На рис. 1 и 3 показан ротор (2), штамповка кодовых элементов (15) которого выполняется поверх пластмассовой основы (16).

При вращении зубчатого ротора (2), установленного на выходном валу коробки передач автомобиля, переходы зуб-слот формируют на выходе магниточувствительного датчика (9) или ASIC (14) последовательность импульсов напряжения или тока. Частота выходных импульсов f пропорциональна частоте вращения ротора F, количеству зубьев ротора K и линейной скорости автомобиля V_авт:

f= F×K,

F=F₀×v_авт, (1)

где F — частота вращения ротора, Гц; F₀ — коэффициент пропорциональности, или частота вращения ротора при скорости автомобиля ν_авт = 1 м/c, м^-1; ν_авт — скорость автомобиля, м/с.

Частота f импульсов на выходе интегрального датчика (9) обратно пропорциональна периоду T последовательности прямоугольных выходных импульсов. На этом основании в измерительных системах датчиков скорости и положения оптимальными являются роторы с таким же приблизительно периодом T следования зубьев и впадин по внешнему диаметру при его развертке. Точное соответствие невозможно, так как измерительная система угловая, и в ней присутствует воздушный зазор. Достижение максимально близкого соответствия периода T следования электрического выхода в виде прямоугольных импульсов и периода следования T механических кодовых элементов позволяет электрически повторять механический профиль ротора с постоянным фазовым смещением (ввиду особенностей формирования сигнала различными типами микросхем) и применять это для измерения скорости и положения с высокой точностью.

Например, функциональность заявляемого бесконтактного датчика скорости и положения в других системах использует соответствие пропуска импульса сигнатурному региону для синхронизации работы данных систем.

Для большинства датчиков скорости выбирают роторы, среди которых оптимальными являются конструкции, в которых средний шаг T ротора (2) выбирается таким образом, что расстояние между чувствительными ТМР-элементами в направлении чувствительности магнито-чувствительного датчика (9) равно T/2 (дифференциальный датчик скорости с двумя синусоидальными сигналами с фазовым смещением в 180°) либо T/4 (одноосевой магнитный энкодер с двухканальным выходом с фазовым смещением каналов в 90°). Дифференциальные датчики обычно используются только для измерения скорости, а двух-канальные энкодеры измеряют и скорость с более высоким разрешением, и относительное (инкрементальное) положение относительно некоторой сигнатурной отметки. Бесконтактный датчик скорости и положения, показанный на рис. 1 и 3-4, предполагает подбор такого числа зубьев К ротора, чтобы интегральный датчик (9) с физически разнесенными в нем ТМР-чувствительными элементами функционировал как обычный дифференциальный датчик скорости автомобиля. Но как вариант, интегральный датчик (9) в комбинации с ASIC (14) может представлять собой одноосевой магнитный энкодер с двухканальным выходом.

Также известны концепции интегральных датчиков скорости и положения с тремя или четырьмя элементами на основе гибридного объединения принципов дифференциальных датчиков и одноосевых энкодеров, расстояние между ближайшими элементами в которых равно T/4, а между крайними или крайним и следующим за ближайшим не крайним элементом — T/2.

Все эти концепции могут быть реализованы в заявленном устройстве и для ферромагнитного ротора, и для многополюсного магнитного ротора (рис. 5) с соответствующим исполнением датчика (9) и ASIC (14).

Двухосевой бесконтактный датчик положения и скорости дипольного магнитного ротора

Известны также не только одноосевые линейные, но и двух-осевые магнитные угловые энкодеры, в которых элементы размещены ортогонально по периметру внутренней окружности небольшого диаметра в пределах плоскости интегрального датчика таким образом, что размещение чувствительных элементов соответствует фазовым смещениям в 90° и 180°, а механический и электрический периоды следования сигнала составляют Т/4 и T/2.

Двухосевой бесконтактный датчик скорости и положения показан на рис. 6, 7. На рис. 6 представлено радиальное исполнение бесконтактного датчика скорости и положения дипольного магнитного ротора, на рис. 7 — аксиальное исполнение того же самого устройства.

Рис. 6. Радиальное исполнение автомобильного бесконтактного датчика положения и скорости магнитного дипольного ротора

Рис. 7. Аксиальное исполнение автомобильного бесконтактного датчика положения и скорости магнитного дипольного ротора

При разработке обоих исполнений, показанных на рис. 6, 7, использовались данные в отношении двухосевых ТМР-датчиков компании MDT MMA253F, представляющие собой специализированные ТМР-датчики углового положения дипольного диаметрально намагниченного магнита в 360-градусном диапазоне с высокоамплитудными синусно-косинусными выходами напряжения, не требующие даже усиления. Датчики MDT MMA253F представлены на рис. 8. Сравнивая рис. 2 и 8, можно видеть, что схемотехника двухмостовых датчиков MMGX45F и MMA253F одинакова, датчики отличаются только размещением мостовых чувствительных элементов по осям.

Рис. 8. ТМР-датчики угла:
а) измерительная конфигурация и внешний вид двухосевого первого ТМР-датчика угла MMA253F;
б) иллюстрация измерительного принципа;
в) типичные выходные сигналы;
г) мостовая схема

В отличие от одноосевых двухмостовых датчиков MMG145F, MMA253F имеет двухосевое размещение мостовых чувствительных элементов и предназначен для измерения ориентации магнитного поля магнита, вращающегося параллельно поверхности корпуса MMA253F. Магнитное поле детектируется в MMA253F ТМР-элементами, состоящими из двух магнитных слоев. Один слой каждого из ТМР-датчиков является «приколотым» (pinned layer) и не подверженным действию магнитных полей, а другой слой является свободным и имеет намагниченность, которая выравнивается параллельно приложенному магнитному полю. Эффект ТМР производит сопротивление, пропорциональное синусу и косинусу относительной угловой разницы между направлениями намагничивания свободного и «приколотого» слоя. Выходные сигналы ТМР-датчиков представляют собой синусные и косинусные сигналы напряжения в зависимости от угла приложенного магнитного поля, посредством чего обеспечивается измерение ориентации магнита в рабочей плоскости XY.

На рис. 8г показаны синусно-косинусные напряжения, типичные для магнита диаметром 6 мм и высотой 2,5 мм, при уровне напряжения питания в 1 В. Как видно из рис. 8г, синусно-косинусные сигналы характеризуются амплитудными значениями в ±0,49 В.

ТМР-мосты Уитстона вырабатывают пиковый сигнал практически на уровне 100% напряжения питания, что исключает необходимость его усиления. ТМР-мост способен самостоятельно компенсировать температурный дрейф напряжения.

MMA253F — это двухмостовый тип датчиков, для обработки сигналов которых в заявляемом устройстве должна применяться ASIC двухмостового сигналообработчика. Впрочем, датчики MDT MMA253F — это далеко не единственный вариант для реализации двухосевого бесконтактного датчика положения и скорости.

Например, первые коммерческие двухосевые ТМР-датчики, подходящие для измерения положения дипольного магнитного ротора посредством заявляемого устройства, еще раньше представила компания NVE — AAT001-10E [10]. Это также устройства с высокоамплитудными синусно-косинусными выходами напряжения, не требующие усиления. На момент подготовки данного материала коммерчески доступен уже следующий представитель данного семейства — AAT003-10E, характеризующийся еще более низким импедансом для обеспечения малошумящего интерфейса [11]. Это также мостовой тип датчиков с синусно-косинусными сигналами, для обработки которых в заявляемом устройстве должна применяться ASIC. Дополнительная коррекция точности и преобразование/формирование сигнала в требуемый интерфейсный формат могут быть осуществлены посредством внешнего сигнального мостового интерфейса различной степени интеллектуальности.

Механическое сопряжение ротора (2) со статором (1) и ограничение угла до 360° поворота ротора (2) в конфигурациях на рис. 6, 7 полностью отсутствует. Предполагается, что высокая точность измерений положения достигается посредством интеллектуальных программируемых ASIC, а вал (17) с магнитом (15) в магнитодержателе (16) при вращении ротора (2) не выходит из зоны измерения угла поворота датчика (φ), конструкция не подвергается значительным механическим воздействиям, существенно меняющим рабочий воздушный зазор, усиливающим невыравнивание, эксцентриситет и наклоны.

ASIC

Для типичных задач измерения положения в качестве ASIC может использоваться весь спектр передовых интерфейсов мостовых датчиков, который стал весьма обширным и включает программируемые решения с МК уже не только с АЦП, но и ВЦП, позволяющие программировать как память EEPROM, так и встроенный процессор ЦОС.

Вновь разработанное устройство также предполагает создание и использование оригинальных концепций собственных ASIC, позволяющих измерять оба параметра — и положение, и скорость, гибко адаптировать прибор к задачам и условиям функционирования конкретных систем. Данное устройство (в обоих исполнениях на рис. 1-5 и 6-8) теоретически позволяет детектировать скорость вращения дипольного магнитного ротора, его абсолютное или относительное, а также уникальное (индексное) положение в пределах полного оборота до 360°, применяя в ASIC заявляемого устройства методы преобразования сигналов, известные для магнитных угловых энкодеров Холла и более ранних мостовых магниторезистивных датчиков.

Важнейшей функцией ASIC является обеспечение измерений скорости и положения по сигналам соответствующим образом сконфигурированных интегрированных чувствительных элементов.

На рис. 9, 10 обобщены и детализированы ключевые варианты размещения мостовых чувствительных элементов для интегральных датчиков (9) в составе заявляемого бесконтактного датчика скорости и положения.

Рис. 9. Варианты размещения мостовых чувствительных элементов для одноосевых интегральных датчиков в составе бесконтактных датчиков скорости и положения

Рис. 10. Варианты размещения мостовых чувствительных элементов для двухосевых интегральных датчиков в составе бесконтактных датчиков скорости и положения

Двухосевые методы измерения положения дипольного магнитного ротора в торцевой конфигурации отличаются от одноосевых методов измерения положения многополюсного магнитного ротора прежде всего тем, что они осуществляются посредством не одноосевых, а двухосевых магнитных угловых энкодеров минимум с двумя чувствительными элементами, генерирующими синусно-косинусные сигналы с фазовым смещением в 90°. Могут использоваться также три или четыре элемента, генерирующих синусно-косинусные сигналы с фазовым смещением в 90° и 180° либо 120°.

Согласно двухосевым методам, размещение соседних чувствительных элементов соответствует фазовым смещениям в 90° и 180°, механический и электрический периоды следования сигнала составляют Т/4 и T/2, но расстояние между ближайшими чувствительными элементами не должно соответствовать периоду внешнего диаметра ротора.

Методы измерения скорости и ферромагнитного, и многополюсного, и дипольного магнитного ротора практически ничем не отличаются друг от друга. Методы измерения скорости и положения дипольного магнита — это то же самое в отношении многополюсного магнитного ротора в пределах одного периода, в первую очередь во внеосевой конфигурации. В торцевой конфигурации, показанной на рис. 7, могут использоваться только двухосевые магнитные энкодеры. Дифференциальные датчики скорости применяются только в одноосевых и внеосевых конфигурациях.

На рис. 11 показаны две основные функциональные схемы заявляемого устройства для обеспечения его функционирования как одноосевого датчика скорости.

Рис. 11. Функциональные схемы заявляемого устройства для обеспечения его работы как одноосевого датчика скорости:
а) импульсный выход скорости;
б) двухканальный или одноканальный выход скорости, сигнал направления, сигнал относительного положения (с дополнительным индексным каналом)

На рис. 12 представлены две основные функциональные схемы заявляемого устройства для обеспечения его функционирования как двухосевого датчика положения.

Рис. 12. Функциональные схемы заявляемого устройства для обеспечения его работы как двухосевого датчика положения:
а) абсолютное положение в угловом диапазоне до 360°;
б) абсолютное положение в угловом диапазоне выше 360°

В обоих случаях основными функциональными блоками устройства выступают сенсорный ТМР-мост и ASIC, выполняющая полную обработку, преобразование и формирование сигнала согласно системным требованиям и максимально интегрирующая все защитные функции.

Рис. 13 иллюстрирует примерное схемотехническое решение для реализации заявляемого устройства как датчика скорости.

Рис. 13. Функциональная схема одноосевого датчика скорости

На рис. 13 показана функциональная схема одноосевого датчика скорости, являющаяся результатом преобразования примерной схемы электрической принципиальной устройства, используемого в существующих автомобильных электронных системах. Данная схема адаптирована для подключения к ASIC сенсорного ТМР-моста.

В патентах автора [2, 3, 6, 7] были раскрыты варианты реализации схем электрических принципиальных датчиков скорости автомобиля (ДСА), обусловленные требованиями совместимости выходного сигнала датчика скорости, пропорционального числу зубьев ротора K, с существующими системами измерения скорости, например, в российских автомобилях. Для включения более высокоразрешающего датчика в автомобильную систему, разработанную ранее для менее разрешающих роторов, понадобится пересчет частоты выходного сигнала интегрального датчика f в сигнал f_ДСА на выходе датчика посредством счетчика — делителя частоты, что в устройстве патента [7] введено непосредственно в схеме ДСА.

В схему также входят другие дискретные компоненты, обеспечивающие функционирование и защиту устройства от перенапряжения, повышенного и недостаточного напряжения, импульсных помех по цепи питания и другие. Поэтому схема датчиков скорости требует усилий по ее разработке и занимает место на плате.

В заявляемом устройстве предлагается объединить в ASIC все внешние по отношению к чувствительным мостовым резисторам компоненты, включая делитель (или умножитель) частоты, резисторы, конденсаторы, транзисторы, как показано на рис. 13. Для питания моста предусмотрен встроенный регулятор напряжения, мост пока предполагается использовать внешний по отношению к ASIC.

На рис. 13 в общем виде показана ASIC датчиков скорости, но она мало чем будет отличаться от схемы, необходимой для датчиков положения, в которых вместо порогового компаратора применяется АЦП, в плане интеграции всех схемных компонентов для питания, подключения выхода моста и защиты в одной микросхеме.

В настоящий момент известно мало высокоинтегрированных XMR (АМР, ГМР) датчиков и не известно ни одного высокоинтегрированного ТМР-датчика. Для всех XMR имеются проблемы однокристальной интеграции с ASIC, связанные со сложностью реализации мостов и ASIC на одном кристалле и общим отставанием технологии производства XMR от датчиков Холла. Ряд существующих высокоинтегрированных модульных датчиков (например, модульные датчики скорости NXP) с готовым импульсным выходом не являются настолько чувствительными и высокоразрешающими, как ТМР, достаточно дороги и во многих случаях не позволяют обойтись без платы и дискретных компонентов.

В отличие от них коммерчески доступные ТМР-компоненты недороги и имеют перспективы еще большего снижения цены, но пока выпускаются в виде сенсорных компонентов только с первичными сигналами, предполагающими наличие внешней ASIC.

Одновременно разработка ASIC SSC сама по себе не требует присутствия собственной сенсорной технологии, может быть реализована для условий обычного полупроводникового производства и затем использована с самыми простыми и дешевыми датчиками. Сочетание сенсорного моста и однокристальной ASIC оригинальной разработки позволит обеспечивать эффективное решение с точки зрения характеристик (зазоров, допусков монтажа, точности) и гибкости адаптации к рабочим условиям в отношении формата, параметров выхода и т. д. Однокристальное решение способствует общей миниатюризации разрабатываемого устройства и является базой для дальнейших схемотехнических усовершенствований.

Питание мостового датчика (например, ТМР MDT) в ASIC может обеспечиваться встроенным генератором и регулятором напряжения питания, величина которого задается одним внешним резистором. Режимы питания, уровни порогового напряжения компараторов, температурная компенсация — все это функции, осуществляемые ASIC.

Выходной сигнал разрабатываемой ASIC-датчика скорости представляет собой готовый импульсный сигнал датчика скорости, пригодный для подключения к автомобильной системе, при необходимости дополненный вышеуказанными схемами с делителем частоты и защиты.

Создание однокристальных ASIC-датчиков скорости, удовлетворяющих требованиям конкретных систем, — перспективная задача разработки следующих модификаций заявляемого устройства. Более масштабная идея состоит в создании ASIC-датчиков скорости с программируемыми точками переключения (порогами) и клиентских решений, адаптированных под нестандартные задачи — в частности, измерение посредством одного и того же одно- или двухкристаль-ного мостового датчика c ASIC и скорости, и положения или, например, реализация переключения бесколлекторных двигателей. Подобные задачи известны по датчикам Холла и другим XMR и решаются на их основе. Особенно развитой является схемотехника высокоинтегрированных однокристальных двухосевых магнитных угловых энкодеров Холла, показывающая типичные задачи, стоящие перед XMR в случае замещения ими датчиков Холла, и способы их решения.

Что касается датчиков положения, на данный момент для мостовых резистивных датчиков уже предлагаются специализированные интерфейсы, предназначенные для синусно-косинусных магнитных угловых энкодеров, позволяющие измерять положение. В настоящее время доступен широкий ряд специализированных микросхем на базе АЦП, полностью отвечающих за подключение моста и обработку сигнальных данных, включая балансировку, калибровку, температурную компенсацию, выполняющих коррекцию, пересчет и индикацию измеренных величин посредством микроконтроллеров с АЦП и интеллектуальных алгоритмов.

Многие АЦП-интерфейсы также не в состоянии соответствовать новым требованиям автомобильных систем в отношении разрешения и точности из-за присущих им смещения и шумов, низкого быстродействия.

Инновационная технология PICOSTRAIN, разработанная немецкой компанией Acam, демонстрирует новый путь обработки мостовых датчиков на базе ВЦП.

ВЦП компании Acam — новый тип интерфейса с мостовыми датчиками для измерения положения

В основе решения на основе ВЦП от компании Acam лежит преобразование типа «электрическое сопротивление — код» при использовании метода измерения отношений временных интервалов. Данная технология уже демонстрировалась в [11], но для датчиков механического напряжения.

На рис. 14 показана принципиальная электрическая схема подключения к ВЦП-интерфейсу ACAM PS09 мостового резистивного датчика. Данная схема разработана для цифрового пьезорезистивного датчика на основе микросхемы Acam PS09, но может использоваться и для заявляемого устройства, функционирующего в качестве бесконтактного датчика углового положения магнита.

Рис. 14. Автомобильный датчик положения на основе технологии время-цифровых преобразователей (ВЦП):
а, б) принцип ВЦП ACAM;
в) схема подключения датчика к ACAM PS09;
г) сравнение методов АЦП и ВЦП

В отличие от обычной конфигурации моста Уитстона, в которой изменение сопротивления переводится в изменение напряжения, метод PICOSTRAIN производит высокоточные измерения интервалов времени. Для этого резисторы датчиков соединяются с конденсатором, образуя фильтр низких частот. Микросхемы PICOSTRAIN не включают и позволяют обойтись без каких-либо аналоговых компонентов, это полностью цифровые схемы.

Измерение электрического сопротивления осуществляется посредством измерения времени разряда конденсатора. Вначале конденсатор заряжается до уровня напряжения питания, а затем разряжается при протекании тока через резисторы мостового датчика. При помощи ВЦП время разряда до установленного уровня триггера измеряется с очень высокой точностью.

Типовое время разряда находится в диапазоне 100 мкс. Типичное разрешение одного измерения модулем ВЦП составляет 20 пс. При использовании метода Acam не нужен полный мост — достаточно полумоста, который получает питание напрямую от схемы. Поэтому нет необходимости организации отдельного электропитания мостового датчика, и опорное напряжение здесь также не требуется. Вследствие импульсного характера измерений метод PICOSTRAIN позволяет легко контролировать ток всей системы и значительно снижать его потребление по сравнению с традиционными системами с АЦП.

Процесс измерения повторяется в определенной очередности с обоими резисторами полумоста, при этом используются одни и те же конденсатор и компаратор. Вычисление соотношения результатов позволяет исключать из результата абсолютные значения и температурную зависимость конденсатора и компаратора. Дополнительные запатентованные схемы и алгоритмы Acam компенсируют ошибки, в частности влияние внутреннего сопротивления драйверов выхода (R_dson) и время задержки компаратора. Результат отличается высокой точностью и стабильностью практически без ошибок усиления. В одно измерение входят восемь циклов заряда-разряда, что позволяет решить задачу компенсации.

Методы Acam, которые используются при подключении резисторных мостов и обработке данных, открывают путь к уровням точности, сравнимым с точностью 24-битных аналого-цифровых преобразователей. В отношении регулировки дрейфов смещения, усиления метод PICOSTRAIN также выигрывает по сравнению с традиционными АЦП. Поэтому продукты PICOSTRAIN стали отличным предложением для измерения сопротивлений датчиков механических напряжений. Но самым выдающимся свойством PICOSTRAIN разработчики считают очень низкое потребление мощности всей измерительной системы «сенсоры-преобразователь-система».

Используя технологию TDC, Acam заявила о создании нового стандарта дизайна и технологии мостовых датчиков со следующими преимуществами:

• Отсутствие необходимости в разработке цепи питания датчиков.
• Отсутствие необходимости в полномостовой схеме, достаточно двух резисторов в полумостовой конфигурации.
• Снижение тока потребления чувствительных элементов и общего системного потребления до нескольких мкА.
• Легкая температурная компенсация.
• Отсутствие опорного напряжения.
• Гибкость в отношении частоты обновления, точности и потребления тока.
• Широкий температурный диапазон.

Помимо этого, PS09 демонстрирует высокую скорость измерений: до 10 кГц с полумостом и до 5 кГц в схеме полного моста.

Сравнение технологии АЦП и ВЦП в отношении необходимого числа чувствительных элементов проиллюстрировано также рис. 14 г.

Как видно, требуется только один полумост для функционирования датчика. Впрочем, MMA253F — это двухмостовой тип датчиков. Угловой датчик AAT001-10E в диапазоне 360° компании NVE состоит из двух полумостовых ТМР-датчиков. Выходы двух мостов или двух полумостов могут быть подключены ко входам PS09 так же, как и выходы одного полумоста.

В заявляемом устройстве воспользоваться данным преимуществом уменьшения числа сенсорных компонентов представляется возможным уже на базе концептуальной компонентной ТМР-базы.

Кроме того, сам принцип измерения мостового сопротивления посредством ВЦП подходит не только для измерения положения, в TDC ASIC он может быть адаптирован для обеспечения на выходе сигнала скорости, переключаемого выхода прецизионных ключей, переключения бесколлекторных двигателей, что может быть реализовано уже в новом поколении ВЦП ASIC.

Выводы

В статье были описаны возможные, но далеко не единственные варианты для схемотехнической реализации разрабатываемого устройства, в котором акцент сделан на разработке различных, в том числе и нестандартных однокристальных ASIC-решений, максимально интегрирующих все схемы заявляемого устройства с минимальным числом внешних, в частности, сенсорных мостовых чувствительных элементов и компонентов, необходимых для функционирования и защиты схемы заявляемого устройства в условиях работы конкретной системы. Уровни интеграции заявляемого устройства, при их отсчете снизу вверх, включают мостовой чувствительный элемент, объединенный с ASIC и внешними компонентами в виде системы на плате, системы в корпусе (модульное решение или двухкристальный корпус ИС), и полностью однокристальное либо 3D ИС-решение.

Таким образом, во вновь разработанном бесконтактном датчике реализуются явные преимущества ТМР-эффекта, которые предусматривают более высокую чувствительность, более высокую разрешающую способность и точность, достижимую посредством мостовых магниторезистивных ТМР-компонентов, возможности для дальнейшей миниатюризации, упрощения и удешевления конструкции устройства, повышение разрешения и удешевление технологии изготовления роторов. Более высокая чувствительность означает возможность функционирования измерительной системы в условиях высоких диапазонов рабочих расстояний воздушных зазоров, механических допусков вместе с более слабыми рабочими магнитными полями.

ТМР-компоненты одновременно допускают работу с малыми обратносмещающими магнитами, меньшими по размерам ферромагнитными и магнитными кодовыми элементами с большими рабочими расстояниями (воздушным зазором). ТМР-датчики скорости устойчивы к магнитным, механическим и температурным смещениям и дрейфам, поэтому они способны далее повышать точность и улучшать другие отдельно взятые функциональные характеристики заявляемого устройства, функционирующего как датчик скорости и положения.

ТМР-технология может не разрушаться во внешних магнитных полях и позволяет широкие монтажные допуски и в статике, и в динамике. ТМР-компоненты — тип датчиков, чувствительных к рабочему магнитному полю только в направлении одной или двух осей, независимый от вертикального расстояния между ротором и датчиком. Например, измерение угла поворота дипольного магнита в торцевой конфигурации практически не зависит от вертикального расстояния и может составлять до нескольких миллиметров соответственно.

ТМР-датчики допускают также большие рабочие воздушные зазоры в измерительных конфигурациях датчиков зубчатого ротора с обратным магнитным смещением и многополюсных роторов. При этом ТМР-компоненты вырабатывают относительно большие синусные или косинусные выходные сигналы, которые могут использоваться в схеме заявляемого датчика скорости и положения практически без усиления. ТМР-компоненты — это высоко температурно-стабильные датчики.

ТМР-датчики являются также весьма мало-энергопотребляющими и недорогими.

Системное объединение в заявленном устройстве ТМР-компонента данной топологии (дифференциального датчика, одно- или двухосевого энкодера) вместе с ASIC позволяет обеспечивать готовый выход устройства согласно техническим требованиям и условиям работы конкретной системы и представляет собой дальнейшее развитие адаптивных возможностей устройства по сравнению с прототипом, более стабильную работу в условиях статических и динамических измерений рабочих условий (от температуры до напряжения питания), а также повышение измерительных характеристик (точности и отдельно взятых других характеристик), уровня интеграции и миниатюризации заявляемого устройства, упрощение и удешевление конструкции устройства, технологии его изготовления, системное уменьшение энергопотребления. Применение передовых программируемых и конфигурируемых ASIC на базе МК, EEPROM, ЦОС со встроенными алгоритмами позволяет максимально полно обеспечить измерительные функции датчика и реализовать одновременно высокоскоростные и высокоточные измерения в переменных рабочих условиях.

Интеграция ТМР-датчиков с однокристальной интеллектуальной ASIC либо в перспективе 3D ИС-решение с минимальным количеством внешних, в том числе и сенсорных, мостовых чувствительных элементов и компонентов, необходимых для функционирования и защиты схемы заявляемого устройства в условиях работы конкретной системы, соответствует самому высокому уровню измерительных характеристик, интеграции и миниатюризации, а также адаптивности, достижимой для заявленного устройства.

Технология ВЦП является высокоинновационной и весьма перспективной для выбора ASIC, причем она подходит не только для измерения положения, но и для дифференциальных датчиков скорости, двухканальных и даже обычных, но высокопрецизионных ключей следующего поколения, и не только для ТМР, но и для всех типов XMR-датчиков.

Таким образом, задачи, поставленные перед автомобильными электронными системами следующего поколения, максимально полно решаются посредством применения во вновь разработанном устройстве мостовых чувствительных ТМР-элементов, системно объединенных с ASIC высокого уровня интеграции и интеллектуальности, который имеет технология ВЦП. Системная интеграция высокочувствительного мостового элемента с интеллектуальной и программируемой ASIC и внешними компонентами в виде системы на плате, системы в корпусе и полностью однокристальное либо в перспективе 3D ИС-решение открывают новые горизонты повышения измерительных характеристик, интеграции и миниатюризации, упрощения и удешевления конструкции, технологии изготовления устройства.