Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 6. Концепции создания магнитных угловых энкодеров на основе эффекта Холла

В данной публикации освещены принципы функционирования абсолютных и инкрементальных магнитных угловых энкодеров Холла в диапазоне угла 360°, с фокусом, в свете новейших тенденций рынка датчиков для автомобильных систем, на аспекты разработки новых цифровых, аналоговых или ШИМ — устройств, с применением новейшей элементной базы интегральных датчиков.

Все статьи цикла:

• Часть 1. Потенциометры и датчики Холла, (Компоненты и технологии №2’2005)
• Часть 2. Технологии, схемотехника, программирование и монтаж интегральных датчиков Холла, (Компоненты и технологии №3’2005)
• Часть 3. Физические основы и коммерческие перспективы технологий полупроводниковых и пермаллоевых магниторезистивных датчиков, (Компоненты и технологии №4’2005)
• Часть 4. Новые перспективы автомобильных датчиков — технологии магниторезисторов ГМР и КМР, (Компоненты и технологии №5’2005)
• Часть 5. Новые перспективы бесконтактных угловых измерений в диапазоне угла 360°, снова датчики Холла — угловые магнитные энкодеры, (Компоненты и технологии №6’2005)
• Часть 6. Концепции создания магнитных угловых энкодеров на основе эффекта Холла, (Компоненты и технологии №7’2005)
• Часть 7. MLX90316 MELEXIS – первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Tria*is, (Компоненты и технологии №8’2005)
• Часть 8. Классические индуктивные преобразователи — надёжный запас, (Компоненты и технологии №9’2005)

• Часть 10. Передовые технологические решения ведущих производителей индуктивных преобразователей, (Компоненты и технологии №2’2006)
• Часть 11. Ёмкостные датчики – новые игроки автомобильного рынка, (Компоненты и технологии №4’2006)
• Часть 12. Актуальные классические принципы оптоэлектроники в автоэлектронике, (Компоненты и технологии №5’2006)
• Часть 13. Магнитостриктивные преобразователи – актуальные измерители линейных и нелинейных перемещений и детекторы крутящего момента, (Компоненты и технологии №6’2006)
• Часть 14. Итоговый сравнительный анализ. Выводы и обновление, (Компоненты и технологии №7’2006)

Абсолютный угловой энкодер

Угловой энкодер состоит из ИС энкодера (см. табл. 12), измеряющей изменение магнитного поля, распределенного на торцевой поверхности стандартного диаметрально намагниченного цилиндрического магнита (рис. 32, 35) [102].

В интегральных датчиках технология эффекта Холла реализована в виде кругового сенсорного массива чувствительных элементов, центрированных вокруг кремниевой подложки в центре ИС [102–114]. Крестообразный сенсорный массив, состоящий из попарно ортогонально ориентированных элементов Холла (рис. 32а–б), формирует двумерное распределение электрического напряжения, соответствующего синусоидальному пространственному распределению рабочего магнитного поля B (рис. 32в), которое математически моделируется выражением [102]:

где B_max — амплитудное значение магнитного поля, B_off — ненулевое смещение поля, φ — фазовый сдвиг магнитного поля от нулевой оси при вращении магнита относительно неподвижного энкодера (измеряемый угол), x = ωt + φ₀ — приведенная независимая переменная, ω — угловая скорость, t — собственно независимая переменная (время), φ₀ — угловая координата нулевой плоскости в полярной системе отсчета.

При интегрировании магнитного поля по x в четырех элементах ортогонально ориентированных пар и суммировании полученных интегралов будут получены синусная и косинусная информация (выходы напряжения) об угловом положении магнита (рис. 32г, 35). Абсолютное угловое положение рассчитывается с использованием функции арктангенса:

В семействе AS50хх интегрированная обработка сигналов с функцией арктангенса, реализованной с 6-битным дифференциальным АЦП (AS5020 и AS5022³) или 10-битным АЦП (AS5040/3), образует эквивалентный по разрядности двоичный код, доступный через стандартный синхронный последовательный SSI-интерфейс, и позволяет считывать соответственно 64 или 1024 угловых положения за период 360° (см. рис. 34–36). Цифровой код включает предупреждающие биты состояния источника магнитного поля и биты четности.

Этап начального интегрирования сбрасывает компоненты ошибок смещения, наведенные магнитным источником или помехами. Специальный алгоритм с пропорциональной арктангенсной функцией позволяет минимизировать вариации магнитного поля, вызванные ошибками выравнивания магнита и влиянием рабочих условий.

Применительно к AS50xx [102] улучшенная техника компенсации элементов Холла совместно со схемой компенсации инструментального усилителя минимизирует типичные ошибки технологического процесса, корпусирования, влияния температуры и ошибок усиления и допускает образование напряжения смещения всего несколько милливольт. Индивидуальный контроль напряжения смещения элементов Холла и смещающих токов позволяет обеспечивать лучший контроль дрейфа усиления и несогласований отдельных сигналов.

Обработка сигнала в AS5040 (рис. 35–36) осуществляется через сигма-дельта аналогоцифровое преобразование и CORDIC-алгоритм ЦОС, рассчитывающий величину и смещение сигналов элементов Холла, что обеспечивает получение высокоточной информации об абсолютном угловом положении.

Магнитные угловые энкодеры типа AS5040 устойчивы к смещениям магнита и внешним магнитным возмущениям согласно дифференциальной технике измерений, вариациям воздушного зазора и температурным вариациям согласно синусно — косинусной оценке сигнала.

Цифровое слово SSI-интерфейса AS5040 с 10-битным кодом данных включает биты статуса компенсации сдвигов, ошибки данных (переполнения CORDIC-алгоритма), предупреждающий бит линейности, цифровую информацию MagINCn иMagDECn о перемещениях магнита в вертикальной оси (доступную также на выходах MagINCn и MagDECn), и бит четности (рис. 36). Абсолютное положение оценивается со скоростью 10 кГц (0,1 мс), что соответствует считыванию 1024 положений магнита за период 360° в течение 0,1 с (9,76 Гц или 585,9 об/мин максимум). Без пропусков возможно получение скоростей до 1200 об/мин.

В дополнение, 10-битное абсолютное значение угла в виде одноканального ШИМ-сигнала с рабочим циклом, пропорциональным углу, доступно на выводе 12 PWM_LSB. С использованием внешнего ФНЧ ШИМ-сигнал может быть преобразован в пропорциональное аналоговое напряжение, что позволяет использовать AS5040 для замещения потенциометров.

В AM256 (рис. 37), например, синусные и косинусные выходы напряжения с ортогональных пар сенсорного массива преобразовываются в абсолютное значение с использованием 8-битного интерполятора, а в AM512 — 9-битного [109–113]. Значение интерполятора формирует последовательный SSI или параллельный двоичный интерфейс.

В AM256 и AM512 имеются также два типа аналоговых выходов: небуферизованные аналоговые синусный и косинусный выходы для высокоомной нагрузки (10 кОм), и буферизованные аналоговые выходы (рекомендуемая нагрузка — 720 Ом). В AM512 также возможно получение непосредственно с интерполятора линейного пропорционального аналогового выхода.

Инкрементальные энкодеры

На основе тех же рабочих и вычислительных принципов абсолютного магнитного энкодера может быть сформирован любой инкрементальный интерфейс (рис. 34–35).

Примерами чисто инкрементальных энкодеров являются AS5021/AS5023 и AS5035. Инкрементальный интерфейс поддерживается в AS5040, AM256/512 и IC-MA. Например, в AS5040 (рис. 36) существует три инкрементальных режима, формируемые на выводах 3 (A_LSB_U), 4 (B_Dir_V) и 6 (Index_ W):

• Квадратурный A/B (стандартный двухканальный режим).
• Режим одноканального энкодера на выводе 3 (512 импульсов или 1024 изменения положения за оборот, что эквивалентно изменению младшего бита LSB (least significant bit) абсолютного значения). Вывод 4 в этом режиме обеспечивает информацию о направлении вращения.

Оба режима обеспечивают индексный сигнал (1 импульс за вращение) с регулируемой шириной в один или три бита, что также программируется.

• Режим коммутации бесщеточных двигателей постоянного тока с одной или двумя парами полюсов.

Гистерезис и нелинейность

АЦП ИС используют электрический гистерезис, полезным эффектом которого является гистерезис положения при смене направления вращения в инкрементальном режиме, а также исключение дребезга цифрового выхода в стационарном положении магнита. Ширина гистерезиса устанавливается в один или несколько LSB (рис. 36г) [103, 110].

При анализе свойств двухосевого датчика абсолютного положения важными являются понятия о нелинейности, различаемые следующим образом (табл. 12) [110]:

• Нелинейность определяется как различие между фактическим положением магнита и выходом ИС.
• Интегральная нелинейность — это общая ошибка выхода, включающая ошибки выравнивания магнита, дифференциальную нелинейность и переходные шумы.
• Дифференциальная нелинейность — это разница между измеренным шагом положения и идеальным шагом (функция точности интерполятора, повторяемая относительно переходных шумов).

В присутствии переходных шумов аналоговых сигналов различие между двумя дифференциальными измерениями представляет собой переходной шум — последовательность электрических шумов аналоговых сигналов.

Датчик положения педали на основе AS5040

Разработка новых датчиков положения педали акселератора — одна из областей, где могут быть востребованы вычислительные и интерфейсные возможности угловых энкодеров типа AS5040, например, для возможной передачи сигнала в формате последовательного протокола по шине CAN. Датчик положения педали (рис. 38) реализует рассматриваемый в статье рабочий режим с вращением дипольного магнита в ограниченном угловом диапазоне φ = 88° (может быть задан любой угол до 360°) и сканирует двумерное распределение магнитного поля с образованием однопроводного ШИМ-сигнала и последовательного SSI-канала на 6-контактном разъеме.

Датчик состоит из неподвижного корпуса 1, вращающейся установочной втулки 2 (роторного узла) с диаметрально намагниченным постоянным магнитом 3, запрессованным в пластмассовую втулку 4, крышки 5 — ограничителя осевых биений роторного узла, печатной платы 6, датчика Холла 7, контактов разъема 8 и крышки 9.

Ротор 2 механически связан с вращающимся валом детектируемого объекта (цели) и имеет возможность поворота на ограниченный угол φ в основании корпуса 1. С обратной стороны втулки 2 имеется лыска для установки устройства на вал с заданной начальной ориентацией. Корпус 1 жестко крепится двумя винтами к неподвижной части объекта.

Для механического ограничения осевых перемещений роторного узла 2 в корпусе 1 вводится крышка-ограничитель 5, фиксируемая поверх роторного узла 2 в корпусе 1 винтами 10. Угол φ механически ограничивается упорами 11 в основании корпуса 1 и выступами 12 ротора 2.

Большинство новых модулей педали акселератора снабжается парой внешних пружин на педальном приводе модуля, на встраивание в который рассчитан датчик. Поскольку предполагается внешнее ограничение крутящего момента, в конструкции не задействована пружина кручения.

Постоянный магнит 3 жестко устанавливается (запрессовывается и вклеивается) во втулку 4 с пазом под отвертку, что обеспечивает несколько полезных признаков конструкции:

• Возможность предварительной ориентации нулевой плоскости симметрии магнита по пазу для отвертки непосредственно перед его жесткой установкой (по результатам измерений магнитного поля, например, тесламетром (гауссметром), калиброванной линейной ИС Холла, или с помощью специальных аппаратно-программных средств — см. рис. 36).
• Возможность выравнивания нулевого положения магнита в процессе сборки.
• Увеличение рабочей зоны выравнивания с малым магнитом (позволяет увеличивать паз под отвертку в крышке — ограничителе).
• Допускается использование меньших рабочих зазоров между магнитом и ИС.

Начальное размещение магнита 3 в конструкции не является важным: за нулевое (с нулевым значением магнитной индукции поля) может быть принято любое механическое положение магнита, информация о котором считается в OTP-регистр с SSI-канала при программировании (например, в конструкции на рис. 38 нулевой магнитный вектор перпендикулярен вектору отсчета механического угла (в отличие от классических датчиков Холла) [103–104]. Выравнивание магнита 3 относительно ИС 7 обеспечивается в процессе сборки, по результатам выравнивания магнит 3 в корпусе 4 заклеивается в роторном узле 2.

Выводы MagINCn, MagDECn и PROG являются технологическими и используются только в процессе программирования. После записи данных в OTP-регистр (рис. 36), непосредственно перед установкой крышки 9, выводы и технологические перемычки удаляются с платы 6.

Дальнейшие детали по применению AS5040 показаны на рис. 36; дополнительную информацию можно найти в Интернет [103–106].

Новинки 2005 года

Всередине апреля 2005 года Austriamicrosystems анонсировала выпуск AS5035, недорогого 8-битного инкрементального энкодера для промышленных и автомобильных систем, в том числе и при напряжении питания 3,3 В. Устройство рекомендуется для использования в системах человеко-машинного интерфейса (human-machine interface, HMI), таких как переключатели передней панели.

Возможность программирования нулевого (индексного) положения магнитных энкодеров выгодно отличает их от оптических устройств. Безопасность работы гарантируется непрерывным наблюдением оптимального положения магнита в системе. В случае отсутствия или потери магнита устройство немедленно вырабатывает сигнал тревоги.

В мае 2005 года Austriamicrosystems производит дальнейшее расширение своего семейства магнитных угловых энкодеров введением 10-битного AS5043 — ИС абсолютного аналогового магнитного углового энкодера, который предназначен специально для замещения трехпроводных систем, требующих получения аналоговой информации о положении, с дополнительной диагностической функциональностью (рис. 39) [107–108].

В июне анонсирован новый 12-битный энкодер AS5045 — ИС с абсолютным цифровым и ШИМ-интерфейсом.

Возможности конфигурирования максимального числа режимов (28 различных режимов) реализованы в новом угловом энкодере общего назначения iC-MA iC-Haus (рис. 40 и табл. 12), который, подобно AS5040, представляет собой гибкое системное решение как для аналогового или цифрового детектирования абсолютных углов, так и для инкрементального детектирования относительных перемещений. iC-MA выпускается в ультрамалом DFN10 (4k4 мм) корпусе и рекомендуется компанией в качестве однокомпонентного решения для бесконтактных потенциометров, многооборотных угловых энкодеров, бесконтактных переключателей, измерителей расхода или, как AS5040, для коммутации бесщеточных двигателей. Для реализации рабочих режимов применяется специальное конфигурирование выводов [114].

Благодаря появлению аналоговых ИС реализован новый аналоговый датчик положения педали (рис. 41). Только благодаря появлению AS5043 может быть успешно перестроена конструкция датчика положения дроссельной заслонки для автомобилей ВАЗ с соблюдением его трехпроводного исполнения (разъем X2 — технологический) и, как минимум, сохранением возможностей его предшественников. Какие-либо ограничения высокоточного линейного диапазона угла в данном устройстве полностью устраняются.

Несколько слов о линейных энкодерах и угловых энкодерах с отверстием под вал

Различают угловые и линейные энкодеры и датчики. Ключевой проблемой, ассоциируемой с линейными магнитоуправляемыми датчиками положения, обычно является то, что их рабочий ход при образовании знакочередующегося выхода должен соответствовать длине магнита (рис. 42в), причем длина магнита должна быть даже большей.