簡(jiǎn)介

ADMT4000是ADI公司率先發(fā)布的單芯片多圈位置傳感器，絕對(duì)測(cè)量范圍為46圈，整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到0.25度的精度。借助于這種新的多圈技術(shù)，省去了與單圈傳感器結(jié)合使用的備用電池或機(jī)械齒輪，也可以免去線性執(zhí)行器中的線性傳感器。此外，對(duì)于未采用傳統(tǒng)笨重機(jī)械多圈編碼器的系統(tǒng)，這種傳感器無(wú)需在上電時(shí)重新歸位或重新校準(zhǔn)。

產(chǎn)品詳情

ADMT4000 是一種磁轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，即使在設(shè)備斷電時(shí)也能夠記錄磁系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。通電時(shí)可以查詢?cè)撎准詧?bào)告系統(tǒng)的絕對(duì)位置。絕對(duì)位置通過(guò)串行外設(shè)接口 (SPI) 報(bào)告。ADMT4000 最多可計(jì)數(shù) 46 圈外部磁場(chǎng)，以順時(shí)針 (CW) 方向遞增絕對(duì)位置計(jì)數(shù)。

該套件包括三個(gè)磁傳感器，一個(gè)用于計(jì)數(shù)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)次數(shù)的巨磁電阻（GMR）轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)傳感器，一個(gè) GMR 象限檢測(cè)傳感器和一個(gè)各向異性磁阻（AMR）角度傳感器。AMR 角度傳感器與 GMR 象限檢測(cè)傳感器結(jié)合使用，可確定系統(tǒng)在 360° 范圍內(nèi)的絕對(duì)位置。將 GMR 轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)傳感器輸出與 AMR 角度傳感器輸出相結(jié)合，該套件就能以高角度精度報(bào)告系統(tǒng)的位置。

產(chǎn)品特性

• 真正通電多圈計(jì)數(shù)器

• 46 圈磁傳感器

• ＞16k° 數(shù)字輸出

• ±0.25° 精度

• 測(cè)量更新率 100 kSPS

• 16 mT 至 31 mT 操作范圍

• 內(nèi)部溫度傳感器

• IC 電源，3.3 V

• SPI 接口，1.8 V 至 5 V

• 結(jié)溫范圍：-40°C 至 +150°C

• 24 引腳 TSSOP

• 工業(yè)應(yīng)用

應(yīng)用

• 無(wú)需斷電即可檢測(cè)并存儲(chǔ)旋轉(zhuǎn)次數(shù)

• 非接觸式絕對(duì)角位置測(cè)量

• 無(wú)刷直流電機(jī)控制和定位

• 執(zhí)行器控制和定位

功能框圖

解決行業(yè)痛點(diǎn)

位置傳感器和編碼器的應(yīng)用無(wú)處不在，但現(xiàn)有解決方案提供的要么是單圈或360°位置信息，要么需要和其它傳感器配合造成系統(tǒng)體積笨重，存在不易維修等問(wèn)題。ADI發(fā)布的ADMT4000正好解決了行業(yè)痛點(diǎn)。

當(dāng)今市場(chǎng)上角度傳感器種類較多，如下圖示例，有磁式、光學(xué)式、電感式、旋變器式等傳感器?；魻杺鞲衅骰诖判?yīng)、XMR 系列傳感器有AMR、GMR和TMR傳感器，他們通常對(duì)磁場(chǎng)方向的變化很敏感。但遺憾的是，所有這些傳感器的絕對(duì)測(cè)量范圍都只有單圈，即360度，AMR傳感器是個(gè)例外，它的信號(hào)以180度為周期進(jìn)行重復(fù)，絕對(duì)測(cè)量范圍是半圈，即180度。

若客戶想要進(jìn)行超過(guò)一圈的絕對(duì)測(cè)量，非接觸式是當(dāng)前可行的實(shí)現(xiàn)方法。下圖示例了四種解決方案，前三種是傳統(tǒng)解決方案，第四種是受市場(chǎng)歡迎的簡(jiǎn)化新解決方案：

• 第一種是齒輪減速機(jī)構(gòu)，它與偶極磁鐵上的單圈傳感器結(jié)合使用，這樣即可縮小整圈計(jì)數(shù)范圍。圖2最左邊展示的是 四到六圈的示例。根據(jù)齒輪的數(shù)量，輸出端可能只需要一個(gè)傳感器，但前提是要能把它縮小到一圈，也可以選擇使用兩個(gè)傳感器和更少的齒輪機(jī)構(gòu)，取決于圈數(shù)甚至可能需要更多傳感器。這種方案的主要缺點(diǎn)是太過(guò)笨重和龐大，齒輪不斷運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械滯回，而且仍然需要帶偶極磁鐵的單圈傳感器。輸出只有一圈使得精度受到影響，分辨率也隨之大大降低。優(yōu)點(diǎn)是存在固有冗余，前提是使用兩個(gè)單圈傳感器和Nonius原理。

• 第二種方案是將備用電池、存儲(chǔ)器與單圈傳感器結(jié)合使用，存儲(chǔ)器用來(lái)保存位置信息，單圈傳感器帶偶極磁鐵。此方案不像齒輪箱那么大，但由于電池的原因仍然有比較大的體積，同時(shí)電池維護(hù)造成停機(jī)維修的高昂成本也使得這不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。優(yōu)點(diǎn)是采樣準(zhǔn)確，可以保持相當(dāng)高的整體精度。

• 第三種方法是使用備用電池的替代方案，即能量收集模塊Weigand傳感器，它需要與單圈傳感器及FRAM芯片結(jié)合使用。這個(gè)方案在穩(wěn)健性方面可能會(huì)令人擔(dān)憂，不過(guò)近年來(lái)利用此方案已經(jīng)解決了一些問(wèn)題。尺寸中等，是高精度解決方案。

• 最后一種方法是圖2最右側(cè)示例的ADMT4000，單芯片多圈角度檢測(cè)IC，小巧、緊湊，消除了上述其他系統(tǒng)的所有缺點(diǎn)，具有出色的穩(wěn)健性和精度。

市場(chǎng)應(yīng)用

ADMT4000為很多工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)顯著價(jià)值，包括線性執(zhí)行器、旋 轉(zhuǎn)執(zhí)行器、機(jī)器人/協(xié)作機(jī)器人/人形機(jī)器人、起重機(jī)/吊車/升降 機(jī)、汽車安全帶、汽車線控轉(zhuǎn)向等。

1.線性執(zhí)行器

線性執(zhí)行器中通常有個(gè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)絲杠，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)模塊、磚盤或X-Y工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)。通常情況下，現(xiàn)行系統(tǒng)中需要線性位置傳感器或線性傳感器來(lái)跟蹤模塊或X-Y平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，ADMT4000能夠間接測(cè)量這種運(yùn)動(dòng)。如果知道絲杠的螺距并將ADMT4000的角度傳感器和多方向傳感器結(jié)合起來(lái)，就能非常精確地計(jì)算出模塊沿著直線軌道移動(dòng)時(shí)的線性位置。線性執(zhí)行器在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例可以是用于龍門X-Y工作臺(tái)、通用X-Y工作臺(tái)、貼片設(shè)備等。

線性執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以省去線性傳感器，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小執(zhí)行器的尺寸和重量，并降低系統(tǒng)總成本。

2.旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器

許多旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器會(huì)旋轉(zhuǎn)多圈，一般是在輸出側(cè)放置一個(gè)單圈傳感器，或者在輸入側(cè)放置備用電池和存儲(chǔ)芯片來(lái)記錄和監(jiān)控圈數(shù)，這樣當(dāng)重新通電時(shí)就可以知道絕對(duì)位置。ADMT4000則是這個(gè)應(yīng)用的很好示例，可以大幅簡(jiǎn)化執(zhí)行器，既可以用作具有360度功能的電機(jī)換相傳感器，也可以用作絕對(duì)輸出角度傳感器，因?yàn)槭冀K可以知道圈數(shù)是多少，比如斷電時(shí)如果旋轉(zhuǎn)了23圈，就可以知道輸出側(cè)可能處于180度，這樣就能獲取這些信息而無(wú)需重新歸位或重新校準(zhǔn)系統(tǒng)。

3.機(jī)器人/協(xié)作機(jī)器人/人形機(jī)器人

機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人等系統(tǒng)的每個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器中通常配有齒輪減速，都需要一個(gè)與前所述類似的執(zhí)行器。如果這些執(zhí)行器不具備多圈能力或不知道通電時(shí)的絕對(duì)位置信息， 那么就必須在通電時(shí)重新歸位或重新校準(zhǔn)這些機(jī)器人，這樣給系統(tǒng)造成極大的不便。因此，ADMT4000不僅縮小了執(zhí)行器尺寸，讓終端用戶能夠構(gòu)建更緊湊的系統(tǒng)，而且消除了重新歸位和重新校準(zhǔn)整個(gè)系統(tǒng)的麻煩。 總體而言，它為機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和人形機(jī)器人制造商帶來(lái)了顯著的好處。

4.起重機(jī)、吊車、升降機(jī)……

在拉線編碼器、起重機(jī)、吊車、升降機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等應(yīng)用中，ADMT4000同樣帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)：無(wú)需通電即可測(cè)量起重機(jī)直線運(yùn)動(dòng)，也不需要備用電池或傳動(dòng)裝置?？梢灾劳姇r(shí)系統(tǒng)的絕對(duì)位置信息，也無(wú)需在通電時(shí)重新歸位和重新校準(zhǔn)，減少了整體停機(jī)時(shí)間，系統(tǒng)得到極大簡(jiǎn)化。

5.汽車安全帶

ADMT4000在汽車安全帶、安全帶卷收器等一些汽車應(yīng)用也備受關(guān)注，為安全帶系統(tǒng)帶來(lái)了額外的功能。通常將傳感器放置于安全帶卷收器卷軸上的偶極磁體對(duì)面，無(wú)論汽車是否通電都會(huì)記錄安全帶的伸長(zhǎng)情況。這樣，只要點(diǎn)火起動(dòng)，汽車就會(huì)知道安全帶的伸長(zhǎng)情況并據(jù)此對(duì)座位上的乘客進(jìn)行分類，以此進(jìn)一步來(lái)確定安全氣囊的展開(kāi)策略。

6.汽車線控轉(zhuǎn)向

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤和車軸之間沒(méi)有機(jī)械耦合，無(wú)法再依賴轉(zhuǎn)向角度傳感器來(lái)獲取車輪角度信息，因此需要在車軸處放入一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^(guò)沿轉(zhuǎn)向齒條放置線性傳感器或位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)在電機(jī)軸末端安裝帶有單圈傳感器的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者放入備用電池與單圈傳感器配合使用來(lái)保存信息。ADMT4000正如大家所設(shè)想的同樣能夠大大簡(jiǎn)化這個(gè)系統(tǒng)，它可以位于電機(jī)軸的末端，在電機(jī)換相的同時(shí)提供轉(zhuǎn)向角度信息因?yàn)榭梢灾澜嵌刃畔⒑投嗳π畔?。所以，在通電時(shí)就能準(zhǔn)確地知道車輪的角度，而不需要任何額外的傳感器。

磁性復(fù)位

當(dāng) ADMT4000 內(nèi)部巨磁電阻（GMR）圈數(shù)計(jì)數(shù)傳感器的磁疇壁分布出現(xiàn)異常時(shí)，需執(zhí)行磁性復(fù)位操作。以下三種場(chǎng)景必須完成復(fù)位：

• 工廠組裝階段：ADMT4000 與應(yīng)用磁鐵裝配至系統(tǒng)后，需進(jìn)行首次復(fù)位。

• 過(guò)磁場(chǎng)暴露：傳感器遭受超過(guò)BMAX的磁場(chǎng)環(huán)境后。

• 故障觸發(fā)：當(dāng)故障寄存器的 D9、D13 位任意置 1 時(shí)。

復(fù)位操作有兩種方法：

1. 翻轉(zhuǎn)復(fù)位法

GMR的轉(zhuǎn)數(shù)傳感器可以通過(guò)翻轉(zhuǎn)至少46圈來(lái)重置。該方法確保注入一組新的域壁進(jìn)入GMR螺旋。這與在46圈計(jì)數(shù)位置以上作不同，復(fù)位動(dòng)作需要系統(tǒng)磁鐵在連續(xù)波方向上轉(zhuǎn)46圈，無(wú)論當(dāng)前的圈數(shù)如何。

2. 磁場(chǎng)復(fù)位法

GMR的轉(zhuǎn)數(shù)傳感器可以通過(guò)施加大于60mT的315°磁場(chǎng)來(lái)重置。復(fù)位后，傳感器螺旋被磁域壁填滿，導(dǎo)致轉(zhuǎn)圈計(jì)數(shù)為45圈加上復(fù)位時(shí)的角度。施加復(fù)位磁場(chǎng)有四種關(guān)鍵方法：

• 使用外部線圈在ADMT4000周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。

• 把一個(gè)外部固定磁鐵靠近ADMT4000。

• 移動(dòng)系統(tǒng)磁鐵1更靠近ADMT4000。

• 在應(yīng)用PCB中嵌入平面電磁線圈。

系統(tǒng)或應(yīng)用磁鐵必須在重置前就位，以確保安裝應(yīng)用磁鐵時(shí)GMR的回合計(jì)數(shù)傳感器不會(huì)損壞。

本文檔僅涵蓋了嵌入式復(fù)位線圈方法。

平面嵌入式復(fù)位線圈復(fù)位方法

嵌入式復(fù)位線圈復(fù)位法，是利用集成在應(yīng)用 PCB 板上的平面電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。復(fù)位磁場(chǎng)（BRESET）由 PCB 板上嵌入式線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)（BCOIL）與應(yīng)用磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)（BAPP）共同疊加而成。該方案支持在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部直接完成 GMR 傳感器的復(fù)位流程。

應(yīng)用磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)（B_APP）需對(duì)準(zhǔn) 315° 方向，系統(tǒng)磁鐵存在一個(gè)以 315° 為中心的角度區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)均可觸發(fā)復(fù)位操作。復(fù)位有效角度區(qū)間的大小取決于以下三個(gè)因素：

• 線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度（B_COIL）

• 應(yīng)用磁鐵磁場(chǎng)強(qiáng)度（B_APP）

• GMR 圈數(shù)計(jì)數(shù)傳感器的工作溫度

強(qiáng)烈建議用戶對(duì)最終系統(tǒng)的溫度進(jìn)行表征，以確定系統(tǒng)磁鐵的允許方向范圍。

嵌入式復(fù)位線圈

嵌入的復(fù)位線圈必須朝向，如下圖所示，使得在被電流脈沖激發(fā)時(shí)產(chǎn)生315°方向的磁場(chǎng)。線圈圖紙可在產(chǎn)品網(wǎng)頁(yè)上以dxf格式獲取。

• 線圈必須在ADMT4000下方的PCB層鋪設(shè)2盎司銅線。

• 嵌入復(fù)位線圈的中心必須與ADMT4000封裝中GMR轉(zhuǎn)次數(shù)傳感器的中心對(duì)齊。

• 線圈的方向必須相匹配，如圖所示。

嵌入復(fù)位線圈的位置和ADMT4000

嵌入式復(fù)位線圈脈沖發(fā)生器
下圖展示了典型的電路，用于產(chǎn)生電流脈沖以激發(fā)嵌入的復(fù)位線圈（L2）。升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器VR1用于提升供電電壓V。DD（3.3V）用來(lái)給初級(jí)放電電容C5充電。當(dāng)C5充滿電荷時(shí)，MOSFET Q1可以通過(guò)L2放電。以最小V產(chǎn)生所需的電流脈沖出去放電電路的串聯(lián)電阻必須最小化電壓。用戶必須注意以下內(nèi)容：

• 線圈 L2 的制作需嚴(yán)格遵循前文 “嵌入式復(fù)位線圈” 部分的設(shè)計(jì)規(guī)范

• 電容 C5 需選用低等效串聯(lián)電阻（ESR）型號(hào)，本示例中 C5 的 ESR 值為 22 毫歐

• MOS 管 Q1 需選用低導(dǎo)通電阻（RON）型號(hào)；本示例中驅(qū)動(dòng)芯片 U1 的作用有兩點(diǎn)：

• 將 3.3V 邏輯電平（COIL_RS）升壓至 5V

• 輸出快速上升沿信號(hào)，驅(qū)動(dòng) MOS 管 Q1 快速導(dǎo)通

為了全面表征電路，可以通過(guò)差分探頭（例如Tektronik P6247）監(jiān)測(cè)直列電阻上的電壓，測(cè)量L2的電流，如圖4所示。圖中的品紅色痕跡顯示了由28V電壓脈沖產(chǎn)生的電流脈沖（229A峰值）。修改V字出去通過(guò)改變由R2和R3形成的電阻分壓器。更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱LT3467數(shù)據(jù)表。在標(biāo)準(zhǔn)四層PCB上，線圈在GMR圈數(shù)傳感器處產(chǎn)生的磁場(chǎng)傳遞函數(shù)為0.44mT/A。

典型復(fù)位脈沖，

黃色：Q1

漏極端電壓 綠色：Q1柵極電壓

藍(lán)色：Q1源端電壓

品紅色：線圈L2的電流脈沖

嵌入式復(fù)位線圈脈沖發(fā)生電路