Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 6. Концепции создания магнитных угловых энкодеров на основе эффекта Холла Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

28 І www.finestreet.ru компоненты I датчики

Окончание. Начало в № 6’2005

Автомобильные датчики положения.

Современные технологии и новые перспективы

Часть 6. Концепции создания магнитных угловых энкодеров на основе эффекта Холла

Светлана СЫСОЕВА

S.Sysoeva@mail.ru

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.

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 В (рис. 32в), которое математически моделируется выражением [102]:

В = ДпахХ ^Іп(ф + *) + В

(20)

где Втах — амплитудное значение магнитного поля, ВоЯ — ненулевое смещение поля, Ф — фазовый сдвиг магнитного поля от нулевой оси при вращении магнита относительно неподвижного энкодера (измеряемый угол), х = (Ю + ф0 — приведенная независимая переменная, ю — угловая скорость, 1 — собственно независимая переменная (время), Ф0 — угловая координата нулевой плоскости в полярной системе отсчета.

При интегрировании магнитного поля по х в четырех элементах ортогонально ориентированных пар и суммировании получен-

Рис. 35. Рабочий принцип двухосевого абсолютного углового энкодера на примере AS5040 (SSOP16)

ных интегралов будут получены синусная и косинусная информация (выходы напряжения) об угловом положении магнита

(рис. 32г, 35). Абсолютное угловое положение рассчитывается с использованием функции арктангенса:

Таблица 12. Интегральные датчики Холла — двухосевые угловые энкодеры

Функциональное

Выходной интерфейс

Программируемые параметры и дополнительные режимы

«* х|2 о

MX Юо к

10-битный программируемый магнитный угловой энкодер

Инкрементальный интерфейс с 10-, 9-, 8- или 7-битовым пользовательски программируемым разрешением, Двухканальный квадратурный A/B сигнал с дополнительным индексным каналом, Одноканальный выход с функцией направления, U-V-W коммутационные сигналы двигателей постоянного тока, Абсолютный интерфейс с 10-битовым разрешением, последовательный SSI — интерфейс, ШИМ — интерфейс

Нулевое |и индексное положение, программируемый выходной формат, детектирование горизонтальных смещений магнита и его перемещений в вертикальной оси

ИС З-битного углового магнитного энкодера в диапазоне 360°

Инкрементальный, параллельный, последовательный SSI, аналоговые синусоидальный и косинусоидальный, и сигнал ошибки

Программируемый в заводских условиях

ИС 9-битного углового магнитного энкодера в диапазоне З60°

Инкрементальный, параллельный, последовательный SSI, аналоговые синусоидальный — косинусоидальный и аналоговый линейный сигналы, и сигнал ошибки

ИС -программируемый недорогой 8-битный инкрементальный магнитный угловой энкодер (64 импульса за оборот)

Инкрементальный квадратурный А/В сигнал, индексный сигнал, два диагностических сигнала состояния магнитного поля и перемещений магнита в I — оси, дополнительный сигнал убывания мощности при определенном состоянии выходов

Нулевое

(индексное)

положение

ИС — 10-битный программируемый в диапазоне 360° магнитный угловой энкодер с абсолютными цифровым и аналоговым выходами

Два 10-битных абсолютных выхода -аналоговый и цифровой, сигнал ошибки, предупреждающий сигнал снижения питания

Регулируемый угловой диапазон и диапазон аналогового выходного напряжения, программируемое нулевое положение

м)

ос)

g-ї * & § $ • S2. о. “з- * "и1-? 2

Ж'Я? О ™ 5

Ё. 5 §

еж ре

О. *

12-битный программируемый магнитный угловой энкодер

Два абсолютных 12-битных цифровых выхода — последовательный SSI — интерфейс и ШИМ — выход, сигнал ошибки, предупреждающий сигнал снижения питания

Нулевое положение, детектирование горизонтальных смещений магнита и его перемещений в вертикальной оси

На момент выхода журнала данные не специфицированы

З-битный угловой датчик Холла — энкодер

Дифференциальный синусно — косинусный выходной сигнал и функцией направления, инкрементальный А/В — интерфейс с выбором разрешения и I — индексным сигналом, а также счетным импульсом, абсолютный аналоговый выход — пилообразный или триангуляционный;

возможность выбора режима (28 различных режимов), в том числе со сниженным энергопотреблением; выход состояния магнитного поля с регулируемой амплитудой, сигнал ошибки

Программируется

конфигурация;

4 буферизованных входных-выходных ступени для выходных сигналов, три

конфигурационных входа для выбора режимов

* — Не специфицируется

LSB** — Least significant bit; наименее значащий, младший бит

описание

ф = arctg

-4 х flnrc х sin(cp) -4 х Вж х cos(cp)

(21)

В семействе Л850хх интегрированная обработка сигналов с функцией арктангенса, реализованной с 6-битным дифференциаль-

ным АЦП (Л85020 и Л8 5 0 2 23) или 10-битным АЦП (Л85040/3), образует эквивалентный по разрядности двоичный код, доступный через стандартный синхронный последовательный 881-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.

Производство ИС семейства AS502x в настоящий момент прекращено.

30

компоненты

датчики

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 кЛв50хх [102] улучшенная техника компенсации элементов Холла совместно со схемой компенсации инструментального усилителя минимизирует типичные ошиб-

ки технологического процесса, корпусирова-ния, 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 Л85040 (рис. 35-36) осуществляется через сигма-дельта аналогоцифровое преобразование и СОКШС-алго-ритм ЦОС, рассчитывающий величину и сме-

щение сигналов элементов Холла, что обеспечивает получение высокоточной информации об абсолютном угловом положении.

Магнитные угловые энкодеры типа Л85040 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 881-интерфейса Л85040 с 10-битным кодом данных включает биты ста-

Массив элементов Холла и усилитель

Цифровая

обработка

сигнала

Регистр

ОТР

Параметры

программирования

Апд . Абсолютный интерфейс (вві)

Мад _

Инкремен- тальный интерфейс

MaglNCn Инкрементальная

-► MagDECn выходная

Х+4

Lon

-► DO Х+3

-► PWM LSB

Х+2

CLK

Х+1

x

—► A_LSB_U

-► B_Dir_V

—► lndex_W

Г истерезис . 2LSB

їЯ

гоатшаившя *

Положение

магнита

- Prog

Вращение по часовой ______стрелке_______^

Вращение против часовой л________стрелки________

CSn

tCLKFE TCLK/2

CLK

DO

W№

16

t DO active t DO valid

k-

Данные об угловом положении

->Ц-

Биты статуса

ITU 0

Квадратурный режим А/В (д аухканал ьн ы й)

Нулевое

положение

Изменение

направления

вращения

LTLTLT

lndex=0 1 LSB

Index

Режим LSB/DIR (одно канальный)

Hndex=1 і 3 LSB

CSn

;

Направление вращения по часовой стрелке (си?)

tmin±5%

Гистерезис^ 2LSB І

ГІ

Угол 0° Положение 1

Угол 359,65° Положение 1023

Направление вращения против часовой стрелки (сот)

ТТТТТП----------

і І і І і і і

tmax±5%

ттттт

і і і і і 10

МММ!! і М М М І

М ! !

і М і

1/йшім±5%

t Incremental outputs valid

Рис. 36. 10-битный программируемый угловой энкодер Ав5040:

а — функциональная схема; б — вві — интерфейс с данными об абсолютном угловом положении; в — инкрементальные выходные режимы Ав5040; г — гистерезис инкрементальных выводов; д — ШИМ — интерфейс с данными об абсолютном положении (продолжение на следующей странице)

а

б

д

датчики компоненты 31

csn 11 I *D «

Prog l CLKpRQij; ! tprog 1 ! enable 1 Data 1 ndx|Div 1 |Divo| Md 11 MdO

1 1 j j Нулевое (индексное) положение ШШ Биты инкрементального режима

in valid

Светодиодные индикаторы магнитного поля,

ШИМ и инкрементальных выходов 7-сегментный индикатор

„ \ для автономной работы

Демоплата АБ5040

Запись

данных

Режим программирования

Печатная плата адаптера А85040 при использовании в качестве внешнего эн кодера для макетирования и пользовательского программирования А85040 под магнитом (поставляется отдельно)

Соединитель USB CSn работы с ПК

I Prog

Соединитель для внешних напряжений питания и программирования

Л I

'(

Данные

Выключение

питания

/

т PR0G

Лт1Г---Г1Л

V

Рис. 36. 10-битный программируемый угловой энкодер AS5040:

е — программирование AS5040 — этап записи данных; ж — Режим однократной записи данных; з — демоплата AS5040; и — считывание SSI — интерфейса программным обеспечением Austriamicrosystems.

и

ж

з

Интерполятор и логическая схема

Аналоговые Sin/Cos Параллельный Последовательный SSI Инкрементальный

Интерполятор и логическая схема

Аналоговые Sin/Cos Параллельный Последовательный SSI Инкрементальный Линейный

Коррекция смещения, Коррекция смещения,

амплитуды и фазы а амплитуды и фазы б

Рис. 37. Угловые энкодеры AM256 и AM512 RLS: а — функциональная схема AM256; б — функциональная схема AM512.

туса компенсации сдвигов, ошибки данных (переполнения ОТКЛЮ-алгоритма), предупреждающий бит линейности, цифровую информацию MagINCn и MagDECn 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 эн-кодеров 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 signifi-

32

компоненты

датчики

__________D1__________

MaglNCn 5 В

MagDECn 3,3 В

A_LSB_U NC

B_Dir_V NC

NC PWM_LSB

lndex_W CSn

OB CLK

Prog DO

AS5040 Austriamicro-Systems

16

15

raL

C1

il_

10

ЮОнФ 10 мкФ

Конт. Цепь

1 +5 В

2 шим- выход

3 Тактиро- вание

4 Выход Данных

5 Выбор ИС

6 ОВ

Програм-_o мирование -о Удаление магнита ~° Приближение магнита

Рис. 38. Программируемый датчик положения педали на основе углового энкодера Ав5040 Аиз1патюгозуз1етз — датчика Холла параллельного магнитного поля: а, б, в, г — внешний вид и конструкция датчика:

1 — корпус датчика; 2 — вращающаяся установочная втулка (роторный узел); 3 — постоянный магнит;

4 — регулировочная втулка — корпус магнита; 5 — крышка — ограничитель осевых биений роторного узла;

6 — плата датчика; 7 — датчик Холла параллельного поля (Ав5040); 8 — контакты разъема; 9 — крышка датчика; 10 — крепеж крышки — ограничителя осевого хода; 11 -упоры корпуса; 12 — выступы вращающейся в тулки; д — принципиальная электрическая схема датчика с Ав5040 Аиз1патюгозуз1етз.

д

cant 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 ф = 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 — ог-

раничителя 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 ф 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 ф 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, тес-ламетром (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).

датчики

компоненты

33

• 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

В середине 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 энко-деров 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 эн-кодер AS5045 — ИС с абсолютным цифровым и ШИМ-интерфейсом.

Возможности конфигурирования максимального числа режимов (28 различных режимов) реализованы в новом угловом энко-дере общего назначения iC-MA iC-Haus (рис. 40 и табл. 12), который, подобно AS5040, представляет собой гибкое системное реше-

В случае ошибки выходное напряжение находится в серой области

Рис. 39. Программируемый магнитный угловой энкодер с абсолютными аналоговым и SSI — выходом данных AS5043 Austriamicrosystems:

а — функциональная схема; б — функциональная характеристика (в полном диапазоне); в — диагностический выходной режим.

34 компоненты датчики

11

6

Х1

Положение магнита і Вьібор режима

МадІЗпдп УОЭ5В

Мосіе УОО 3,3 В

СЭп N0

СІ-К N0

N0 \ЛлЙ

ОО РВ

УЭЭ ОАСоїЛ

Ргод РІ ОАСгеГ

АЭ5043

Аив^аглюго-

Зувіетв

16

15

_С1

10 нф

У01

Н^-

С2

І00 нФ

Конт. Цепь

1 ов

2 Выход

3 +5 В

Х2

Конт. Цепь

1 УОІЯ_Егі

2 ОВ

3 Уйй 3,3 В

4 УОй 5 В иэв

5 С1_К

6 ОО

7 Сел

8 Ргод

Рис. 41. Аналоговые трехпроводные датчики на основе Д85043: а, б — датчик положения педали:

а — внешний вид; б — конструкция датчика: 1 — корпус датчика; 2 — вращающаяся установочная втулка (роторный узел); 3 — цилиндрический постоянный магнит;

4 — регулировочная втулка — корпус магнита; 5 — крышка — ограничитель осевых биений роторного узла; 6 — плата датчика; 7 — датчик ДБ5043; 8 — контакты разъема;

9 — крышка датчика; 10 — крепеж крышки — ограничителя осевого хода. в—е — датчик положения дроссельной заслонки :

в — конструкция датчика в разрезе в его симметричном угловом положении; г — конструкция датчика; д — вид с ограничителем хода;

е — вид с выступами, ограничивающими угол поворота: 1 — корпус датчика;

2 — роторный узел (сборочная единица, включающая также поз. 9 и 10; выполняется на основе деталей, жестко связанных между собой); 3 — цилиндрический постоянный магнит; 4 — регулировочная втулка — корпус магнита; 5 — ограничитель осевых перемещений — вспомогательная крышка, закрепляемая на винтах;

6 — печатная плата; 7 — ИС; 8 — контакты разъема; 9 — установочная втулка роторного узла 2; 10 — пружина кручения; 11 — крышка датчика; 12 — крепеж ограничителя;

13 — упоры корпуса; 14 — выступы вращающейся втулки; 15 — крепеж датчика. ж — принципиальная электрическая схема датчика с ДБ5043 и дискретными компонентами;

а

е

ж

б

ние как для аналогового или цифрового детектирования абсолютных углов, так и для инкрементального детектирования относительных перемещений. ІС-МА выпускается в ультрамалом DFN10 (4x4 мм) корпусе и рекомендуется компанией в качестве однокомпонентного решения для бесконтактных потенциометров, многооборотных угловых эн-кодеров, бесконтактных переключателей, измерителей расхода или, как А85040, 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 Л85043 может быть успешно перестроена конструкция датчика положения дроссельной заслонки для автомобилей ВАЗ с соблюдением его трехпроводного исполнения (разъем Х2 — 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. (На рис. 42а-в показаны существующие рабочие режимы