簡介

ADMT4000是ADI公司率先發布的單芯片多圈位置傳感器，絕對測量范圍為46圈，整個測量范圍內達到0.25度的精度。借助于這種新的多圈技術，省去了與單圈傳感器結合使用的備用電池或機械齒輪，也可以免去線性執行器中的線性傳感器。此外，對于未采用傳統笨重機械多圈編碼器的系統，這種傳感器無需在上電時重新歸位或重新校準。

產品詳情

ADMT4000 是一種磁轉數傳感器，即使在設備斷電時也能夠記錄磁系統的旋轉次數。通電時可以查詢該套件，以報告系統的絕對位置。絕對位置通過串行外設接口 (SPI) 報告。ADMT4000 最多可計數 46 圈外部磁場，以順時針 (CW) 方向遞增絕對位置計數。

該套件包括三個磁傳感器，一個用于計數系統旋轉次數的巨磁電阻（GMR）轉數計數傳感器，一個 GMR 象限檢測傳感器和一個各向異性磁阻（AMR）角度傳感器。AMR 角度傳感器與 GMR 象限檢測傳感器結合使用，可確定系統在 360° 范圍內的絕對位置。將 GMR 轉數計數傳感器輸出與 AMR 角度傳感器輸出相結合，該套件就能以高角度精度報告系統的位置。

產品特性

• 真正通電多圈計數器

• 46 圈磁傳感器

• ＞16k° 數字輸出

• ±0.25° 精度

• 測量更新率 100 kSPS

• 16 mT 至 31 mT 操作范圍

• 內部溫度傳感器

• IC 電源，3.3 V

• SPI 接口，1.8 V 至 5 V

• 結溫范圍：-40°C 至 +150°C

• 24 引腳 TSSOP

• 工業應用

應用

• 無需斷電即可檢測并存儲旋轉次數

• 非接觸式絕對角位置測量

• 無刷直流電機控制和定位

• 執行器控制和定位

功能框圖

解決行業痛點

位置傳感器和編碼器的應用無處不在，但現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體積笨重，存在不易維修等問題。ADI發布的ADMT4000正好解決了行業痛點。

當今市場上角度傳感器種類較多，如下圖示例，有磁式、光學式、電感式、旋變器式等傳感器?；魻杺鞲衅骰诖判?、XMR 系列傳感器有AMR、GMR和TMR傳感器，他們通常對磁場方向的變化很敏感。但遺憾的是，所有這些傳感器的絕對測量范圍都只有單圈，即360度，AMR傳感器是個例外，它的信號以180度為周期進行重復，絕對測量范圍是半圈，即180度。

若客戶想要進行超過一圈的絕對測量，非接觸式是當前可行的實現方法。下圖示例了四種解決方案，前三種是傳統解決方案，第四種是受市場歡迎的簡化新解決方案：

• 第一種是齒輪減速機構，它與偶極磁鐵上的單圈傳感器結合使用，這樣即可縮小整圈計數范圍。圖2最左邊展示的是 四到六圈的示例。根據齒輪的數量，輸出端可能只需要一個傳感器，但前提是要能把它縮小到一圈，也可以選擇使用兩個傳感器和更少的齒輪機構，取決于圈數甚至可能需要更多傳感器。這種方案的主要缺點是太過笨重和龐大，齒輪不斷運轉產生磨損可能會導致系統出現機械滯回，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。優點是存在固有冗余，前提是使用兩個單圈傳感器和Nonius原理。

• 第二種方案是將備用電池、存儲器與單圈傳感器結合使用，存儲器用來保存位置信息，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，同時電池維護造成停機維修的高昂成本也使得這不是一個經濟實用的方案。優點是采樣準確，可以保持相當高的整體精度。

• 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芯片結合使用。這個方案在穩健性方面可能會令人擔憂，不過近年來利用此方案已經解決了一些問題。尺寸中等，是高精度解決方案。

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

市場應用

ADMT4000為很多工業應用帶來顯著價值，包括線性執行器、旋 轉執行器、機器人/協作機器人/人形機器人、起重機/吊車/升降 機、汽車安全帶、汽車線控轉向等。

1.線性執行器

線性執行器中通常有個電機用于驅動絲杠，進而驅動模塊、磚盤或X-Y工作臺做直線運動。通常情況下，現行系統中需要線性位置傳感器或線性傳感器來跟蹤模塊或X-Y平臺的運動，ADMT4000能夠間接測量這種運動。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合起來，就能非常精確地計算出模塊沿著直線軌道移動時的線性位置。線性執行器在工業領域中的應用實例可以是用于龍門X-Y工作臺、通用X-Y工作臺、貼片設備等。

線性執行器的主要優點是可以省去線性傳感器，簡化設計，減小執行器的尺寸和重量，并降低系統總成本。

2.旋轉執行器

許多旋轉執行器會旋轉多圈，一般是在輸出側放置一個單圈傳感器，或者在輸入側放置備用電池和存儲芯片來記錄和監控圈數，這樣當重新通電時就可以知道絕對位置。ADMT4000則是這個應用的很好示例，可以大幅簡化執行器，既可以用作具有360度功能的電機換相傳感器，也可以用作絕對輸出角度傳感器，因為始終可以知道圈數是多少，比如斷電時如果旋轉了23圈，就可以知道輸出側可能處于180度，這樣就能獲取這些信息而無需重新歸位或重新校準系統。

3.機器人/協作機器人/人形機器人

機器人、協作機器人和人形機器人等系統的每個關節執行器中通常配有齒輪減速，都需要一個與前所述類似的執行器。如果這些執行器不具備多圈能力或不知道通電時的絕對位置信息， 那么就必須在通電時重新歸位或重新校準這些機器人，這樣給系統造成極大的不便。因此，ADMT4000不僅縮小了執行器尺寸，讓終端用戶能夠構建更緊湊的系統，而且消除了重新歸位和重新校準整個系統的麻煩。 總體而言，它為機器人、協作機器人和人形機器人制造商帶來了顯著的好處。

4.起重機、吊車、升降機……

在拉線編碼器、起重機、吊車、升降機、卷揚機等應用中，ADMT4000同樣帶來了顯著優勢：無需通電即可測量起重機直線運動，也不需要備用電池或傳動裝置。可以知道通電時系統的絕對位置信息，也無需在通電時重新歸位和重新校準，減少了整體停機時間，系統得到極大簡化。

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用也備受關注，為安全帶系統帶來了額外的功能。通常將傳感器放置于安全帶卷收器卷軸上的偶極磁體對面，無論汽車是否通電都會記錄安全帶的伸長情況。這樣，只要點火起動，汽車就會知道安全帶的伸長情況并據此對座位上的乘客進行分類，以此進一步來確定安全氣囊的展開策略。

6.汽車線控轉向

線控轉向系統中，方向盤和車軸之間沒有機械耦合，無法再依賴轉向角度傳感器來獲取車輪角度信息，因此需要在車軸處放入一個測量系統?？梢酝ㄟ^沿轉向齒條放置線性傳感器或位置傳感器來實現，也可以通過在電機軸末端安裝帶有單圈傳感器的齒輪來實現，或者放入備用電池與單圈傳感器配合使用來保存信息。ADMT4000正如大家所設想的同樣能夠大大簡化這個系統，它可以位于電機軸的末端，在電機換相的同時提供轉向角度信息因為可以知道角度信息和多圈信息。所以，在通電時就能準確地知道車輪的角度，而不需要任何額外的傳感器。

磁性復位

當 ADMT4000 內部巨磁電阻（GMR）圈數計數傳感器的磁疇壁分布出現異常時，需執行磁性復位操作。以下三種場景必須完成復位：

• 工廠組裝階段：ADMT4000 與應用磁鐵裝配至系統后，需進行首次復位。

• 過磁場暴露：傳感器遭受超過BMAX的磁場環境后。

• 故障觸發：當故障寄存器的 D9、D13 位任意置 1 時。

復位操作有兩種方法：

1. 翻轉復位法

GMR的轉數傳感器可以通過翻轉至少46圈來重置。該方法確保注入一組新的域壁進入GMR螺旋。這與在46圈計數位置以上作不同，復位動作需要系統磁鐵在連續波方向上轉46圈，無論當前的圈數如何。

2. 磁場復位法

GMR的轉數傳感器可以通過施加大于60mT的315°磁場來重置。復位后，傳感器螺旋被磁域壁填滿，導致轉圈計數為45圈加上復位時的角度。施加復位磁場有四種關鍵方法：

• 使用外部線圈在ADMT4000周圍產生磁場。

• 把一個外部固定磁鐵靠近ADMT4000。

• 移動系統磁鐵1更靠近ADMT4000。

• 在應用PCB中嵌入平面電磁線圈。

系統或應用磁鐵必須在重置前就位，以確保安裝應用磁鐵時GMR的回合計數傳感器不會損壞。

本文檔僅涵蓋了嵌入式復位線圈方法。

平面嵌入式復位線圈復位方法

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

應用磁鐵產生的磁場（B_APP）需對準 315° 方向，系統磁鐵存在一個以 315° 為中心的角度區間，在此區間內均可觸發復位操作。復位有效角度區間的大小取決于以下三個因素：

• 線圈磁場強度（B_COIL）

• 應用磁鐵磁場強度（B_APP）

• GMR 圈數計數傳感器的工作溫度

強烈建議用戶對最終系統的溫度進行表征，以確定系統磁鐵的允許方向范圍。

嵌入式復位線圈

嵌入的復位線圈必須朝向，如下圖所示，使得在被電流脈沖激發時產生315°方向的磁場。線圈圖紙可在產品網頁上以dxf格式獲取。

• 線圈必須在ADMT4000下方的PCB層鋪設2盎司銅線。

• 嵌入復位線圈的中心必須與ADMT4000封裝中GMR轉次數傳感器的中心對齊。

• 線圈的方向必須相匹配，如圖所示。

嵌入復位線圈的位置和ADMT4000

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

• 線圈 L2 的制作需嚴格遵循前文 “嵌入式復位線圈” 部分的設計規范

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

• MOS 管 Q1 需選用低導通電阻（RON）型號；本示例中驅動芯片 U1 的作用有兩點：

• 將 3.3V 邏輯電平（COIL_RS）升壓至 5V

• 輸出快速上升沿信號，驅動 MOS 管 Q1 快速導通

為了全面表征電路，可以通過差分探頭（例如Tektronik P6247）監測直列電阻上的電壓，測量L2的電流，如圖4所示。圖中的品紅色痕跡顯示了由28V電壓脈沖產生的電流脈沖（229A峰值）。修改V字出去通過改變由R2和R3形成的電阻分壓器。更多細節請參閱LT3467數據表。在標準四層PCB上，線圈在GMR圈數傳感器處產生的磁場傳遞函數為0.44mT/A。

典型復位脈沖，

黃色：Q1

漏極端電壓 綠色：Q1柵極電壓

藍色：Q1源端電壓

品紅色：線圈L2的電流脈沖

嵌入式復位線圈脈沖發生電路