Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы.
Часть 7. MLX9 Автомобильные датчики положения 0316 MELEXIS – первый магнитный угловой энкодер Холла на базе технологии Tria⊗is

Все статьи цикла.

Введение. Автомобильные датчики положения

Значительный интерес, проявленный компанией Melexis — мировым лидером в области высоких технологий производства автомобильных программируемых КМОП ИС Холла — к сотрудничеству с компанией Sentron, вполне закономерен. Ведь именно Sentron является автором технологии производства гибридных ИС Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими дисками (ИМК). Итогом совместной работы обеих компаний стал первый коммерческий продукт — новый угловой энкодер Холла MLX90316, который представляет собой гибридную КМОП ИС с ИМК и линейным угловым диапазоном в пределах 0–360°, программируемым в памяти EEPROM.

MLX90316 ориетирован именно на актуальной автомобильной задачи двухосевого детектирования в диапазоне 0–360° угла поворота легкой оси намагниченности дипольного постоянного магнита, размещенного на торце вала во фронте ИС (рис. 43). Этот продукт предлагает в определенной степени новое, трехмерное решение данной задачи, что и отражено в его названии — Tria⊗is (бренд Melexis).

Рис. 43. Типичное применение MLX90316 Melexis в задаче детектирования угла поворота магнитного вектора диаметрально намагниченного постоянного дипольного магнита:
1 — магнит — цель;
2 — ИС MLX90316;
3 — вращающийся вал;
φ — угол поворота магнита

Это означает, что датчик с ИМК, предназначенный для чисто двухосевых измерений — вычисления угла поворота магнитного вектора на плоскости, характеризуется увеличенной чувствительностью к изменению компонентов магнитного поля, параллельного поверхности ИС; одновременно, ввиду особенностей функционирования ИМК, достигается увеличение чувствительности ИС и в направлении третьей пространственной оси (рис. 44).

Рис. 44. Технология эффекта Холла Tria⊗is в ИС:
1— подложка;
2— ИМК;
3— элементы Холла;
BX и BY — компоненты магнитного поля в направлении измерительных осей X и Y;
B_ — перпендикулярные компоненты магнитного поля;
B// — параллельные компоненты магнитного поля

Угловые магнитные энкодеры (Austriamicrosystems, RLS, iC-Haus — см. табл. 12, часть 6 статьи), созданные на базе массива планарных элементов Холла, чувствительны только к компонентам магнитного поля, перпендикулярного поверхности ИС; при этом планарные элементы характеризуются чувствительностью, типичной для классических датчиков Холла, но работают в диапазоне поля порядка 50 мТл.

Технический результат высокоточных угловых измерений (погрешность < 0,5°) с использованием энкодеров с планарными элементами Холла достигается, главным образом, благодаря возможностям схемы цифровой обработки с АЦП синусно-косинусных сигналов, CoRDiC-алгоритма вычисления угла с использованием функции арктангенса и эффективным методам устранения смещения на этапе первичного преобразования Холла (spinning current) и (или) в усилительной части (например, автообнуление).

Специальные возможности ИС обеспечиваются за счет программирования в рабочих условиях данных о нулевом положении, формата и параметров выходной характеристики, а также множества других настроек. Заложенные в ИС теоретические принципы энкодеров при этом предполагают значительные интерфейсные возможности, которые способны как предоставить высокоточный абсолютный выход (SSI, аналоговый, ШИМ), так и обеспечить любой инкрементальный интерфейс (стандартный квадратурный интерфейс, индексный канал, канал направления).

Существенно, что датчики с планарными элементами, предназначенные для вычисления угла поворота магнитного вектора в плоскости XY, параллельной поверхности ИС, на первичном этапе формирования сигнала чувствительны к компонентам поля в Z-оси. Следовательно, уровни первичных сигналов зависимы от расстояния между магнитом и ИС и подвержены влиянию магнитных неоднородностей и допусков, хотя данное влияние эффективно устраняется в схеме обработки благодаря функции арктангенса.

Гибридные двухосевые датчики с ИМК (их технология рассматривалась в пятой части статьи) используют тот же крестообразный массив планарных элементов Холла, чувствительных к перпендикулярным компонентам поля, но снабжаются ИМК, посредством которого выполняется преобразование параллельных компонентов поля в перпендикулярные (рис. 44). За счет данного преобразования достигается физическая чувствительность датчика именно к параллельным компонентам X и Y магнитного поля, в задаче детектирования угла поворота магнитного вектора доминирующим над перпендикулярными, к которым ИС с массивом ИМК также чувствительна.

Таким образом, повышение чувствительности датчика за счет эффектов концентрации компонентов магнитного поля именно в направлении измерительных осей датчика одновременно означает значительное увеличение чувствительности датчика к компонентам поля в Z-оси.

Говоря об основном преимуществе технологии ИМК — повышении чувствительности (см. табл. 11 и 12), следует обратить внимание на их основные недостатки. Этот тип датчиков рассчитан на работу в слабых полях (до 1 Тл), поскольку в сильных полях ИМК наводит достаточно большую нелинейность. Чувствительность к магнитным неоднородностям и допускам на уровне первичных сигналов также сохраняется, в отличие от истинно нечувствительных к ним магниторезисторов, и требует схемы обработки сигнала с функцией арктангенса.

Обе технологии датчиков КМОП-совместимы, но в стандартной линейке датчиков Sentron с ИМК (2SA-10) возможности цифровой микропроцессорной обработки сигнала, техникотмены сдвигов, программирования или формирования выходного сигнала в одном из энкодерных форматов ранее не применялись.

Следовательно, синусно-косинусный выход датчиков с ИМК формирует необходимость интерфейсного АЦП, внешнего микроконтроллера, блока ЦОС — значительного числа интерфейсных компонентов.

MLX90316 Melexis

MLX90316 — новейшая программируемая гибридная ИС абсолютного магнитного углового энкодера в диапазоне 0–360° на базе технологии Tria⊗is, сенсорная часть которого состоит из одного ИМК на КМОП-подложке ИС в корпусе SOIC8 или расположенных на двойной подложке двух ИМК в корпусе TSSOP16, и массива (массивов) взаимно ортогональных планарных элементов Холла, размещенных под ИМК, попарно чувствительных к направлениям X и Y соответственно (рис. 45 а, б).

Рис. 45. Практическая реализация технологии Tria⊗is в MLX90316 Melexis:
а— размещение магнита относительно сенсорной части и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе SOIC48;
б— взаиморасположение магнита относительно сенсорных частей и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе TSSOP416

Функциональная схема MLX90316 показана на рисунке 45в.

Рис. 45в. Практическая реализация технологии Tria⊗is в MLX90316 Melexis: функциональная схема ИС MLX90316

Кроме собственно сенсорной части этапы обработки сигнала в ИС включают: мультиплексирование (MUX), усиление, АЦП, ЦОС с микроконтроллером, RAM, ROM и EEPROM.

Первая ступень схемы предназначена для кодировки сигналов механического угла в два дифференциальных сигнала с фазовой разницей 90° — синусный и косинусный (рис. 46). Синусно-косинусные сигналы U_X и U_Y, пропорциональные величине магнитного потока, обрабатываются в дифференциальной аналоговой цепи с применением классических техник отмены сдвигов (spinning и chopper — стабилизированный усилитель), а затем оцифровываются АЦП с разрешением, конфигурируемым в 14 или 15 бит, и передаются в блок ЦОС.

Рис. 46. Формирование первичных синусно-косинусных сигналов в MLX90316

Основным элементом блока ЦОС является 16-битный RISC-микроконтроллер, использующий цифровое представление сигналов для вычисления угла посредством табличной функции арктангенса, применяемой к соотношению сигналов U_Y/U_X:

² В MLX90316 вычисление функции арктангенса осуществляется именно посредством просмотра таблиц, без применения CoRDiC-алгоритма

Функциональность ЦОС управляется специальным микрокодом микроконтроллера (firmware — F/W), хранимым в памяти ROM.

В дополнение к функции арктангенса ATAN микрокод F/W контролирует всю аналоговую цепь, выходную передаточную характеристику, выходной протокол, этапы калибровки, программирования и режимы самодиагностики.

Поскольку функция ATAN вычисляется из соотношения U_Y/U_X (как при использовании магниторезистивных датчиков), угловая информация является независимой от вариаций плотности потока при изменении воздушного зазора, магнитных неоднородностей, влияния температуры, несогласований двух квадратурных сигналов.

В отличие от классических датчиков Холла рассматриваемый измерительный принцип обеспечивает улучшенную температурную точность, способность измерять углы в диапазоне 360° с высокой линейностью, независимой от взаимоположения ИС и магнита.

Текущее цифровое значение угла затем может быть преобразовано 12-битным ЦАП в аналоговую форму. Другие типы выходного формата, поддерживаемые ИС, — 12-битный ШИМ ипоследовательный выход (см. табл. 13). Выходная передаточная характеристика датчика полностью программируема (смещение,усиление, ограничивающие уровни), причем в отличие от однократно программируемых энкодеров Austriamicrosystems программирование рабочих настроек и коэффициентов MLX90316 выполняется в перепрограммируемой энергонезависимой памяти EEPROM [103–108,116].

Поскольку MLX90316 работает в диапазоне полей 50 мТл, так же, как и все энкодеры, представленные в таблице 12, данная ИС может быть использована в качестве альтернативной замены AS5040 в конструкции цифрового датчика положения педали, изображенной на рис. 38 в части 6 настоящей публикации. Одновременно MLX90316 является новым, практически однокомпонентным решением для аналоговых датчиков, показанных на рис. 41 (при цене ИС от $1.20).

Схему подключения MLX90316, приведенную на рис. 47, Melexis рекомендует специально для аналоговых датчиков. Например, на основе этой схемы и конструкции, показанной на рис. 41в-е, может быть получен еще один виртуальный макет датчика положения дроссельной заслонки для будущих автомобилей ВАЗ.

Рис. 47. Схема применения MLX90316 в корпусе SOIC48, рекомендуемая Melexis для задач с аналоговым выходом

При программировании датчика, например с помощью комплекта PTC-04 Melexis, могут быть установлены следующие параметры:

• выход — аналоговый;
• нижний ограничивающий уровень ClampLo = 0,25 В для φ ≤ 0°;
• верхний ограничивающий уровень ClampHi = 4,75 В для φ ≥ 120°;
• смещение Voffset = 2,25 В;
• направление вращения, зависящее от расположения микросхемы в конструкции, например, по часовой стрелке: CLOCKWISE = CCW = 0;
• медленный (точный) скоростной режим ЦОС HIGHSPEED = 0 (Slow Mode).

Обсуждая MLX90316 в сравнении, скажем, с AS5043 или новейшей³ 12-битной AS5045 с ШИМ-выходом (см. табл. 12 и 13), необходимо отметить, что MLX90316 позволяет получить именно аналоговую характеристику датчика положения дроссельной заслонки, которая может быть запрограммирована в ограничительных пределах углового диапазона 0° ≤ φ ≤ 120°, оптимальных с точки зрения унификации и совместимости устройства (рис. 48) с существующими автомобильными системами. Этапы программирования аналогового выхода MLX90316 будут выполняться в полном соответствии с последовательностью программирования производных от классического типа аналоговых датчиков Холла, подробно описанной в части 2 данной статьи.

Рис. 48. Сравнение способов программирования аналоговых характеристик MLX90316 и AS5043 в ограниченном диапазоне угла φ:
а — программирование нулевого положения (смещения) выходной характеристики AS5043;
б — многоточечная калибровка выходной характеристики MLX90316:
A, B, C — точки калибровки;
LNR_A_X, LNR_B_X, LNR_C_X, LNR_S0, LNR_A_S, LNR_B_S, LNR_C_S, LNR_A_Y, LNR_B_Y и LNR_C_Y — параметры передаточной характеристики, устанавливаемые при программировании датчика;
CLAMPLOW и CLAMPHIGH — программируемые нижний и верхний ограничивающие уровни напряжения, соответственно

В зависимости от фактического угла запрограммированного в пределах 0–360° нулевого положения и нулевого смещения, передаточная характеристика AS5043 может электрически «вращаться» (рис. 48а). В дальнейшем наклон характеристики может регулироваться изменением усиления выходной усилительной ступени OPAMP и выбором допустимых угловых диапазонов 360°/180°/90°/45°, программируемых при сборке [107, 108].

В отличие от AS5043, MLX90316 поддерживает не только двух-, но и многоточечную калибровку передаточной характеристики (рис. 48 б).

Дальнейшие технические данные и детали по программированию других режимов MLX90316 могут быть найдены в Интернете [116].

Заключение

Двухосевые магнитные угловые энкодеры с массивом планарных элементов, рассматриваемые в частях 5 и 6 настоящего цикла, месяц-два тому назад, безусловно, находились на вершине технологических достижений эффекта Холла. Несомненно, данную ситуацию изменило появление MLX90316, которая также относится к верхнему сегменту рынка автомобильных датчиков Холла.

Получен фактически новый технический результат решения известной задачи о вычислении угла в диапазоне 0–360° поворота магнитного вектора, параллельного поверхности ИС, достигнутый за счет объединения при создании датчика и одновременного использования теоретических преимуществ нескольких известных технологий: массива планарных элементов, интегрированных магнитоконцентрирующих дисков (ИМК), магнитных угловых энкодеров и высоких технологий методов отмены смещений КМОП ИС Холла с EEPROM.

По всей видимости, ожидается новая волна разработок автомобильных ИС Холла и конструкций автомобильных датчиков верхнего уровня — угловых энкодеров, что обусловлено их высокой точностью и способностью детектирования углового положения и скорости любых автомобильных объектов, на торце которых может быть установлен дипольный постоянный магнит.

На рис. 49 показан датчик положения распределительного вала с диаметрально намагниченным магнитом — одна из новинок 2005 года от SiemensVDO.

Рис. 49. Новинка 2005 года от SiemensVDO — датчик абсолютного положения распределительного вала

Вероятно, тема применения эффекта Холла для создания автомобильных датчиков так и останется незавершенной в пределах данного цикла публикаций, поскольку перспективы развития этого технологического направления постоянно расширяются. Так, например, мировая научно-техническая общественность ожидает появления коммерчески доступных трехосевых (трехмерных) интегральных датчиков Холла. Причем особые надежды возлагают на двух глобальных мировых лидеров компании Melexis иMicronas Intermetall, которые еще в 2004 году анонсировали запуск научно-исследовательских проектов по разработке трехмерных датчиков Холла.

Существующие и потенциальные области задач, отведенные для трехмерных датчиков Холла, — это трехмерное сканирование магнитных полей, компасы, трехмерные детекторы перемещений и положения и другие аналогичные задачи.