CC BY
66Светлана СЫСОЕВА
S.Sysoeva@mail.ru
Базовые схемы и новые предложения по измерению скорости, направления и положения магнитных роторов и линеек
Следующий актуальный для автомобильных систем конструктивный вариант, предложения по разработке которого включает настоящая публикация, — это аксиальный датчик скорости и (или) положения ротора с кольцевыми магнитными кодовыми элементами (рис. 11).
Базовая схема, которая используется для измерения скорости именно магнитного ротора, представляет собой инкрементальный энкодер с цифровой или аналоговой магнитоуправляемой ИС с одно-, двух- или многоканальным (с индексным импульсом) импульсным выходом.
В этой схеме может применяться наибольшее число типов ИС датчиков, включая униполярные и биполярные ключи защелки, дифференциальные, дуальные и другие ASIC, ИС энкодеров Холла, датчики АМР, ГМР (рис. 1б, рис. 11). Для практической реализации пространственных конфигураций важно понимание того, что униполярный ключ срабатывает только на одноименные полюса магнита, защелка Холла (биполярный ключ с симметричными порогами переключения) — наоборот, только на разноименные полюса магнита, дифференциальные ИС Холла — только на переходы северный полюс/южный полюс. На рис. 11 показана именно дифференциальная измерительная схема, которая является стандартной для энкодеров, а также для любых ключей и защелок.
Рекомендации производителям автомобильных цифровых датчиков скорости и положения.
Часть 2. Новые рекомендации по разработке датчиков с магнитным ротором
Во второй части статьи предлагаются актуальные конструкторские предложения, направленные на повышение надежности, точности, технологичности и снижение цены автомобильных бесконтактных магнитоуправляемых датчиков, на этот раз скорости и углового положения магнитного ротора.
Униполярные ключи в этой схеме дают неадекватную скважность, защелки и дифференциальные ИС Холла — адекватное пространственное разрешение и скважность. Число защелкивающих или дифференциальных электрических импульсов равняется числу кодовых элементов (полюсов) магнита
(рис. 12а). Дуальные ИС (двухканальные эн-кодеры) Холла, АМР- и ГМР-датчики срабатывают на переходы северный полюс/южный полюс (стандартная конфигурация), обеспечивая за счет синусно-косинусного оценивания с внешней логической схемой разрешение, удвоенное по отношению к числу кодовых элементов (число электрических импульсов равняется числу кодовых элементов) по сравнению со знакочувствительными защелками, и могут также детектировать направление (рис. 12б, рис. 2, см. «КиТ», № 9 '2006, с. 47). Двухканальные энкодеры могут также замещать защелки, обеспечивая в пространственной конфигурации (в соответствии с рис. 1б, в) два синфазных сигнала и типичное защелкивающее разрешение. В связи с развитием элементной базы представляют интерес связанные с этим возможности для создания новых пространственных конфигураций. Одна из таких возможностей может быть реализована на основе уже достаточно хорошо забытой старой защелкивающей схемы или, точнее, комбинирования защелкивающей и дифференциальной инкрементальных схем измерения скорости, положения и направления магнитного ротора, которые дают удвоенное разрешение и объединяют все измерительные функции в одной такой схеме (рис. 13).
Вместо классической защелки или дифференциальной схемы в этой пространственной конфигурации может быть использован энкодер Холла с массивом крестообразных элементов Холла, чувствительный к параллельным или перпендикулярным компонентам магнитного поля (рис. 13а-в), но без стандартной угловой абсолютной или инкремен-
Рис. 11. Аксиальный датчик скорости и (или) положения магнитного ротора с кольцевыми магнитными кодовыми элементами (дифференциальная или инкрементальная схема):
а) датчик с аксиальным магниточувствительным элементом, встраиваемый в автомобильную систему;
б) электронный блок с магнитоуправляемым датчиком. 1 — ротор; 2 — бесконтактный магнитоуправляемый датчик в отдельном корпусе: статор;
3 — магнитоуправляемая ИС: датчик
(дифференциальный датчик
или двухэлементный инкрементальный энкодер)
Профиль магнитного ротора (развертка)
■ ■ І ■
и, в
иНюн(12В)
11|_ои/ В
и, В иНюн (12 В)
»0,25 В и, В иНЮн(12В)
и | ow «0,25 В и, В
^нюн (12 В)
-0,25 В
т=1/т
Защелкивающий сигнал / Дифференциальный
Ф, °/рад
Н
Канал А
с
Ф, °/рад
Канал В
Ф, °/рад
Одноканальный выход
°/рад >
0
с
Рис. 12. Картины последовательностей выходных электрических импульсов, соотнесенных с профилем кодовых элементов на магнитной линейке:
а) выходной защелкивающий и дифференциальный сигналы;
б) квадратурные инкрементальные сигналы двухканального энкодера и тахометрический одноканальный выход
Рис. 14. Сопоставление наиболее перспективных вариантов детектирования абсолютного углового положения в пределах 360° диаметрально намагниченного магнитного ротора с целью их использования для измерения скорости/комбинирования функций:
а) пример схемы с цилиндрическим дипольным магнитом, размещенным на торце вала и вращающимся параллельно поверхности ИС (с ИМК или без такового):
1 — дипольный магнитный ротор с цилиндрическим основанием;
2 — магнитоуправляемая ИС: двухосевой датчик Холла, в данном примере — перпендикулярного поля (без ИМК); 3 — планарные элементы Холла (крестообразный массив);
б) схема с дипольным кольцевым магнитом, магнитное поле которого при вращении параллельно поверхности ИС (с ИМК): 1 — кольцевой дипольный магнитный ротор;
2 — магнитоуправляемая ИС: двухосевой датчик Холла с ИМК, детектирующая радиальные и тангенциальные компоненты поля;
в) схема с многополюсным кольцевым магнитом, магнитное поле которого при вращении параллельно поверхности ИС (с ИМК): 1 — кольцевой многополюсный магнитный ротор; 2 — магнитоуправляемая ИС: двухосевой датчик Холла с ИМК, детектирующая радиальные и тангенциальные компоненты поля
Рис. 13. Комбинирование защелкивающей и дифференциальной/инкрементальной схем измерения скорости, положения и направления магнитного ротора с магнитным угловым энкодером Холла: а, б — датчики с аксиальными энкодерами Холла:
а) датчик параллельного поля с ИМК;
б) датчик перпендикулярного поля (без ИМК);
в) электронный блок с магнитоуправляемой ИС, чувствительной к перпендикулярному полю;
г) концепция трехэлементного двухосевого датчика с третьим ортогональным индексирующим элементом Холла для считывания индексной отметки магнитного ротора или линейки
1 — ротор; 2 — бесконтактный магнитоуправляемый датчик в отдельном корпусе: статор; 3 — магнитоуправляемая ИС: двухосевой датчик; 4, 5 — варианты размещения нулевой (индексной) отметки для индексирующего ортогонального элемента Холла
тальной схемы обработки сигнала, которая в этом случае должна быть адаптирована к применению. Элементы Холла ИС, например, такой как HQ8220 А8аЫ, реагирующие на чередование полюсов, обеспечивают синусно-косинусное оценивание, два других ортогональных по отношению к ним элемента — синфазные защелкивающие сигналы. Очевидно, что для регистрации инкрементальной индексной отметки, теоретически, уже достаточно одного из чисто защелкивающих сигналов. В пределах одного синуснокосинусного периода может оцениваться и интерполироваться абсолютное положение, а также посредством защелкивающего сигнала, одного или двух — одна или две инкрементальные нулевые (индексные) отметки, выполненные в магнитном кодовом роторе (рис. 13г). Эта инкрементальная схема позволяет вычислять одновременно угловое или линейное положение и скорость, детектировать направление. На ее основе с подходящим магнитным ротором в дальнейшем может быть создана и чисто абсолютная измерительная конфигурация — полный аналог абсолютного оптического энкодера, но преимущества абсолютного принципа по-прежнему максимально будут реализованы именно в угловом варианте.
Рис. 15. Линейный и угловой потенциометры:
а) конструкция линейного датчика положения:
1 — перемещающийся вал: цель; 2 — контактная щетка;
3— элемент механического крепления щеток;
4— резистивный слой; 5— печатная плата;
6 — корпус устройства; 7—9 — терминалы устройства;
б) конструкция углового датчика положения
(в диапазоне 180°): 1 — вращающийся вал: цель;
2 — контактная щетка;
3, 4 — элементы механического крепления щеток;
5 — резистивный слой; 6 — печатная плата;
7—9 — терминалы устройства
Только с двухосевыми магнитными угловыми энкодерами могут быть использованы и пространственные схемы, рассчитанные на детектирование не перпендикулярных, а параллельных компонентов поля (рис. 1д, е, см. «КиТ», № 9 '2006, с. 46; рис. 14).
Наиболее перспективный угловой измерительный принцип, позволяющий измерять положение, скорость и направление вращения, состоит в определении углового положения диаметрально намагниченного цилиндрического магнита, вращающегося на торце вала параллельно поверхности ИС энкодера с четырьмя элементами Холла, попарно ортогонально смещенными с целью получения квадратурных синусно-косинусных сигналов, уникальных в течение одного периода (рис. 1д-е). С двухполюсным, диаметрально намагниченным магнитом для детектирования абсолютного или инкрементального положения в пределах одного полного оборота может быть использована схема обработки сигнала абсолютного энкодера MLX90316 с ИМК, или абсолютных, или инкрементальных энкодеров с программируемым нулевым положением либо индексной отметкой, таких как АЭ5040, А85035 Аш1иаткго8у81ет8
или iC-MA iC-Haus. Сейчас уже существуют другие варианты этой схемы — для измерения углового или линейного положения [4]. Более эффективных решений до настоящего момента предложено не было, но можно предположить, что в скором времени эти возможные варианты окажутся не единственными. Обе схемы могут измерять скорость и направление вращения.
Необходимо отметить, что, хотя для измерения абсолютного положения дипольные схемы представляют собой наиболее эффективное и компактное решение, измерения скорости в этой двоичной конфигурации производятся достаточно грубо, так как осуществляется только один счет за оборот в 360°. В линейных системах еще более затруднено детектирование как скорости, так и линейных перемещений.
Возможность повышения разрешения, необходимого при измерениях скорости, как известно, предоставляют многополюсный магнит или ферромагнитный зубчатый ротор [1-3]. Для детектирования скорости и направления вращения (перемещения) многополюсного магнита достаточно датчика только с двумя элементами Холла, а для детектирования направления ферромагнитного зубчатого ротора специально разработаны ИС с тремя элементами Холла. Магнитный угловой энкодер с четырьмя элементами Холла и ИМК также может быть теоретически использован для детектирования скорости вращения многополюсного кольцевого магнита, при вращении которого создается параллельное рабочее поле, но с элементной базой ASIC следующего поколения (рис. 14в). Для измерения положения в такой схеме потребуется дополнительное индексирование (рис. 13в).
В качестве индексной отметки при инкрементальном измерении положения или детектировании уникального абсолютного положения с магнитным или ферромагнитным ротором также могут быть использованы пропущенные кодовые элементы или, например, дополнительный элемент Холла (ортогональная пара в крестообразном массиве элементов Холла), причем сейчас это возможно только с магнитным ротором.
Концепция трехэлементного датчика с третьим ортогональным индексирующим элементом Холла для считывания специальной индексной отметки магнитного ротора или линейки (рис. 13) уже позволяет детектировать инкрементальное положение в пределах 360° или относительное линейное перемещение магнитной линейки с высоким разрешением, усиливаемым за счет числа кодовых элементов и интерполяции. Специализированной элементной базы для этой задачи
не создано, но, очевидно, может быть использован любой двухосевой датчик с крестообразным массивом элементов, допускающий его адаптацию к включению в схему согласно конкретному применению.
Варианты, приведенные выше, иллюстрируют, как новая элементная база может приводить к разработке новых пространственных конфигураций. Вполне логично, что и разработка теории приводит к появлению новой элементной базы ИС.
Как известно, одной из наиболее сложных задач является измерение скорости и положения не угловой, а именно подвижной линейной системы. Для линейных измерений положения могут быть адаптированы самые различные системы, начиная от потенциометров и заканчивая магнитными энкодерами. Потенциометры — наиболее простой способ получения сигнала, пропорционального пройденному пути, причем с каждым годом этот метод становится все более надежным и недорогим (рис. 15). Инкрементальные и абсолютные оптические энкодеры позволяют с точностью порядка мкм разрешать линейные перемещения в несколько метров, но их цена высока. Так как наибольший интерес в будущем представляют именно системы, позволяющие одновременно детектировать не только скорость (с функцией направления), но и положение, преимущества цифровых магнитных энкодеров Холла в перспективных разработках очевидны. До недавнего времени магнитные системы на основе энкодеров Холла давали оптимальные результаты именно в угловых, а не в линейных системах. Сейчас ситуация изменилась.
Те же самые угловые схемы представляют интерес и для измерения линейного положения подвижной линейки. Наиболее перспективная линейная конфигурация с точки зрения повышения разрешения при измерении положения включает магнитную линейку и энко-дер Холла, например, с двумя элементами Холла, или четырьмя элементами, но теперь уже не с крестообразным массивом, а с элементами, размещенными в ИС вдоль прямой линии.
Ю-МЬ ¡С-Наи5
Специально для измерения линейного положения магнитной линейки/ротора компанией 1С-Наш (Ь Ир:/ М ww.ichaus.d е1) разработан новый интегральный iC-ML — первый специализированный магнитный датчик линейного положения/энкодер с возможностью аналогового и цифрового оценивания, который заключен в малый корпус Т880Р20 (его размеры 6,6х6,4х1,1 мм). Схема iC-ML включает четыре датчика Холла для образования аналоговых синусно-косинусных сигналов с лентой со средним шагом полюсов (расстоянием между полюсными центрами) в 2,56 мм, а также блок обработки сигнала с АЦП и выходной интерфейс. Три конфигурируемых входа допускают 26 различных режимов
1 iC-Haus GmbH — один из лидирующих независимых германских производителей стандартных ИС (ASSP) и клиентских ASiC полупроводниковых решений. Компания занимается как разработкой, производством, так и продажами ASiC для промышленных, автомобильных и медицинских применений с 1984 года. iC-Haus использует биполярную, CMOS и BCD технологии для производства своих Sensor-ASiC, Laser-/Opto-ASiC и Actuator-ASiC устройств. Корпусирование ИС выполняется либо в стандартных пластмассовых корпусах, либо с использованием технологии chip-on-board — для производства микросистем, многокристальных модулей, или — в комбинации с датчиками — optoBGAs™.
Рис. 16. а) Расположение относительно магнитной линейки; б) рабочий измерительный принцип магнитного линейного энкодера iC-ML iC-Haus
работы, которые могут быть использованы с магнитной лентой или ротором, размещенными выше или ниже ИС. Предложенная 1С-Наш схема требует специализированной магнитной линейки с согласованным средним полюсным шагом в 2,56 мм (что сравнимо со значениями шага, которые рекомендуются для многих дуальных и дифференциальных ИС), ее реализация в итоге обеспечивает сборку, освобожденную от погрешностей допусков, со сниженными затратами времени и меньшей трудоемкостью. Для безопасной работы достаточно напряженностей поля уже в 20 мТл; для мониторинга расстояния до магнита и центрирования датчика в его схеме используется переменное усиление или сигнал ошибки.
Расположение датчика iC-ML относительно магнитной линейки и рабочий измерительный принцип показаны на рис. 16. Элементы Холла смещены к одной длинной стороне ИС (рис. 16а). В качестве Х-коор-динаты принимается направление вдоль магнитной линейки. В аналоговом режиме ИС при относительном перемещении ИС формируются синусно-косинусные выходные сигналы напряжения с началом отсчета в середине любого северного полюса. Смещение линейки относительно ИС опре-
деляется расстоянием ха между самым крайним элементом Холла и нулевой точкой в выбранной системе отсчета (рис. 16б). Каждому периоду магнитного сигнала в 5,12 мм соответствует период электрического сигнала датчика. Внутри этого периода сигнала может быть определено абсолютное положение линейки.
Между магнитной лентой и корпусом могут быть достигнуты рабочие расстояния в 1-2 мм, но это зависит от материала и размера магнита. Кроме того, что могут обеспе-
и 0 СРЭ1 А В В СЮ2 _| В В 2 1 В СРЭЗ О С В и^ем емо 0 1 УРН1
РЕРН ГЛ 1
РЕР1_ (Л 1
МЕРР
¿1 СРв1 А В В СРв2 _| В в 2 1 ¿1 срез У с в |д МЕМ емо О в ] Р81й
УРЕР
РСОБ
вАМ
В СРв1 ТОС) А В В СРв2 _1 в В 2 1 и срез О с о емо оо ЕЬ А°
1
1
№1*11
*а/Р
УРР
■ 2
УРР
" 2
-Хй/Р
-Хй/Р
~Т
Г 1 »=р/2"-Ы1
ГР -т - 1 -о ' ' ' '4 ' ' ' ' 1'о' -¡г _Х^/А
Рис. 18. Примеры конфигурирования iC-ML
чиваться чистые аналоговые синусные и косинусные сигналы с амплитудой 2Vpp для определения положения посредством внешних интерполирующих ASIC, iC-ML использует эти сигналы и для того, чтобы генерировать на их основе цифровые выходные сигналы с разрешением в 6, 7 и 8 бит за магнитный период, то есть с числом линейных инкрементов до 256, допуская достижение разрешений до 20 мкм, при этом могут быть обработаны скорости линейки до 5 м/с.
Схема, интегрированная в iC-ML, включает блок усилителя сигналов элементов Холла с АКУ, схему компенсации температурных изменений, напряженности магнитного поля и напряжения питания, АЦП, ЦАП для оцифрованных и преобразованных аналоговых выходных сигналов (рис. 17). Дифференциальные методы оценивания, реализованные в схеме, обеспечивают значительную нечувствительность рассматриваемой пространственной конфигурации к внешним магнитным полям. Причем, если напряженность поля падает ниже предела, предустановленного при конфигурировании датчика, это индицируется сигналом GAIN или цифровым импульсом NERR.
Цифровые сигналы представлены как квадратурные A/B сигналы с нулевым индексным импульсным сигналом Z и как up/down импульсные сигналы для триггерного счетчика.
Линейное смещение iC-ML относительно магнитной ленты может быть представлено и в аналоговой форме как периодический пилообразный (sawtooth) и треугольный сигнал напряжения со свободно выбираемыми амплитудами.
Дополнительные режимы снижения мощности позволяют вдвое уменьшить ток потребления.
Посредством трех входов с логикой трех состояний кодируется множество различных рабочих режимов iC-ML. Логические уровни
представляют собой низкий, высокий и уровень Vcc/2 и устанавливаются автоматически с открытым входом ИС.
Входы устройства конфигурируют (рис. 18):
• аналоговый синусный и косинусный (униполярный и дифференциальный) сигналы;
• инкрементальные ABZ сигналы;
• счетные импульсы up/down для двоичного счетчика;
• аналоговый пилообразный или треугольный сигнал с настраиваемой амплитудой. Использование iC-ML в системе с магнитной линейкой позволяет создавать законченную линейную измерительную систему. На рис. 19 представлен возможный способ подключения данной измерительной системы к микроконтроллеру [8]. Эта схема iC-ML сконфигурирована как линейный датчик с аналоговыми выходными сигналами PSIN и PCOS, опорным уровнем для которых является REF.
Существует также возможность осуществления каскадирования нескольких устройств iC-ML для сканирования по нескольким координатам: чипы активируются один за другим в цепочке, сигнал положения при этом выводится через 4-проводную шину. Это упрощает подсоединение датчиков к микроконтроллеру или интерполятору для дальнейшей обработки сигнала. Деактивированные чипы с высокоимпедансным состоянием шины потребляют очень мало тока (в режиме standby). На рис. 20 показан пример каскадируемой схемы из трех датчиков iC-ML.
Области применения, предполагаемые для iC-ML производителем — компанией
CLK------U---------U-------U---------U--------U---------U-------U---------и
NEN------1________________________________________________________________р
NENO(1)------------------------1______________________________________________р
NENO(2) ------------------------------------------1___________________________р
NENO(3) ------------------------------------------------------------1_________p
A -------( PSIN1 y~VREF1~~y~PSiN2~y VREF2 X PSIN3 УСуШТ)------------------
В -------¿PCOS1 X-GAiNTYPCOSTX GAIN2 У PCOS3 УГвАШ)-----------------------
V________________J К_______w________J \w______________J
V V V
iC-ML 1 iC-ML 2 ¡C-ML 3
active active active
Рис. 20. Примеры конфигурирования цепочки датчиков iC-ML
Рис. 21. Иллюстрация работы iC-ML с магнитным ротором: а) аксиальная схема; б) радиальная конфигурация
iC-Haus GmbH, включают аналого-цифровые инкрементальные линейки, бесконтактные переключатели/линейные потенциометры, датчики уровня, коммутацию линейных двигателей и разнообразные линейные датчики в диапазоне температур -40... + 125 °C.
Бесконтактный сенсорный принцип iC-ML обеспечивает расширенные допуски позиционирования для применений, в которых желательно герметичное разделение электроники и механического привода, например, в мокром и пыльном окружении, и предлагается компанией для измерений, ранее не использовавших технологию эффекта Холла, где контактные потенциометрические методы не смогут предоставить оптимальное решение.
Система, реализованная на основе iC-ML, иллюстрирует новые возможности для измерения линейного положения магнитной линейки с увеличенным разрешением на основе ИС энкодера, причем поскольку основанный на синусно-косинусном оценивании энкодерный принцип допускает измерение как положения, так скорости и направления, при условии согласования среднего шага не исключается преобразование линейного движения в угловое (рис. 21).
Заключение
Новые концепции измерения скорости, положения и направления с различными типами роторов и линеек, рассмотренные в статье, иллюстрируют новые возможности для типично цифровых частотных измерительных систем, основными задачами которых является измерение скорости и направления вращающихся валов, например, коробки передач или АБС, детектирование в цифровом формате абсолютного положения коленчатого или распределительного вала. В настоящее время изначально различные задачи детектирования уникального цифрового и линейного абсолютного положения, например, угла поворота руля или коленчатого вала (или линейных перемещений) решаются практически одинаково. Какие-либо границы между системами измерения положения и скорости/направления благодаря развитию энко-дерных технологий Холла становятся все менее четкими. ■
Литература
8. David Lin, iC-Haus GmBH. One-chip Linear
Position Measurement with Hall Sensors. Sensors,
Aug 2006.
