Чтение RSS Все о РадиоЭлектроТехнике » РадиоЭлектроника » РадиоКомпоненты » Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais

Книги по радиоэлектронике

Новости партнеров

Малогабаритный частотомер с питанием от литиевого элемента
     Прототипом этого прибора послужил частотомер, описанный в статье И. Котова («Радио», 2008, № 2, с. 21, 22). Переделка свелась к замене батареи питания 6F22 литиевым ...
Microchip. Информацинный каталог. 2014
Название: Microchip. Информацинный каталог Год издания: 2014 Страниц: 88 Формат: djvu Размер: 17,34 MB Описание: Предлагаем вашему вниманию очередное издание информационного каталога ...
Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family
Название: Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family Автор: Robert Reese, J.W. Bruce, Bryan A. Jones Год издания: 2009 Страниц: 865 Формат: pdf Размер: 9,58 MB ...

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais

 Опубликовано: 30-03-2013, 04:52  Комментариев: (0)


Современная электроника развивается стремительными темпами, и не удивительно, что технология магнитных угловых энкодеров Холла, еще совсем недавно занимавшая верхнюю строчку в своеобразной топ-шкале магнитоуправляемых интегральных схем, сегодня уже потеснена новым лидером научно-технического прогресса в области автомобильных датчиков положения. Речь идет о технологии магнитных угловых энкодеров Холла TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis и новой интегральной схеме MLX90316, представленной в сентября 2005 года компанией Melexis - ведущим разработчиком и производителем широкой номенклатуры автомобильных интегральных датчиков.

Введение. Автомобильные датчики положения.

Значительный интерес, проявленный компанией Melexis - мировым лидером в области высоких технологий производства автомобильных программируемых КМОП ИС Холла - к сотрудничеству с компанией Sentron, вполне закономерен. Ведь именно Sentron является автором технологии производства гибридных ИС Холла с интегрированными магнитоконцентрирующими дисками (ИМК). Итогом совместной работы обеих компаний стал первый коммерческий продукт - новый угловой энкодер Холла MLX90316, который представляет собой гибридную КМОП ИС с ИМК и линейным угловым диапазоном в пределах 0-360°, программируемым в памяти EEPROM.

MLX90316 ориетирован именно на актуальной автомобильной задачи двухосевого детектирования в диапазоне 0-360° угла поворота легкой оси намагниченности дипольного постоянного магнита, размещенного на торце вала во фронте ИС (рис. 43). Этот продукт предлагает в определенной степени новое, трехмерное решение данной задачи, что и отражено в его названии - TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis (бренд Melexis).

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais
Рис. 43. Типичное применение MLX90316 Melexis в задаче детектирования угла поворота магнитного вектора диаметрально намагниченного постоянного дипольного магнита: 1 - магнит - цель; 2 - ИС MLX90316; 3 - вращающийся вал; φ - угол поворота магнита

Это означает, что датчик с ИМК, предназначенный для чисто двухосевых измерений - вычисления угла поворота магнитного вектора на плоскости, характеризуется увеличенной чувствительностью к изменению компонентов магнитного поля, параллельного поверхности ИС; одновременно, ввиду особенностей функционирования ИМК, достигается увеличение чувствительности ИС и в направлении третьей пространственной оси (рис. 44).

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais
Рис. 44. Технология эффекта Холла TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis™; в ИС: 1 - подложка; 2 - ИМК; 3 - элементы Холла; BX и BY - компоненты магнитного поля в направлении измерительных осей X и Y; BАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais - перпендикулярные компоненты магнитного поля; B// - параллельные компоненты магнитного поля

Угловые магнитные энкодеры (Austriamicrosystems, RLS, iC-Haus - см. табл. 12, часть 6 статьи), созданные на базе массива планарных элементов Холла, чувствительны только к компонентам магнитного поля, перпендикулярного поверхности ИС; при этом планарные элементы характеризуются чувствительностью, типичной для классических датчиков Холла1, но работают в диапазоне поля порядка 50 мТл.





¹ Чувствительность стандартных планарных элементов Холла в среднем составляет порядка 10-50 мВ/мТл при напряжении питания 5 В; достижимы значения до 200 мВ/мТл.

Технический результат высокоточных угловых измерений (погрешность < 0,5°) с использованием энкодеров с планарными элементами Холла достигается, главным образом, благодаря возможностям схемы цифровой обработки с АЦП синусно-косинусных сигналов, CoRDiC-алгоритма вычисления угла с использованием функции арктангенса и эффективным методам устранения смещения на этапе первичного преобразования Холла (spinning current) и (или) в усилительной части (например, автообнуление).

Специальные возможности ИС обеспечиваются за счет программирования в рабочих условиях данных о нулевом положении, формата и параметров выходной характеристики, а также множества других настроек. Заложенные в ИС теоретические принципы энкодеров при этом предполагают значительные интерфейсные возможности, которые способны как предоставить высокоточный абсолютный выход (SSI, аналоговый, ШИМ), так и обеспечить любой инкрементальный интерфейс (стандартный квадратурный интерфейс, индексный канал, канал направления).

Существенно, что датчики с планарными элементами, предназначенные для вычисления угла поворота магнитного вектора в плоскости XY, параллельной поверхности ИС, на первичном этапе формирования сигнала чувствительны к компонентам поля в Z-оси. Следовательно, уровни первичных сигналов зависимы от расстояния между магнитом и ИС и подвержены влиянию магнитных неоднородностей и допусков, хотя данное влияние эффективно устраняется в схеме обработки благодаря функции арктангенса.

Гибридные двухосевые датчики с ИМК (их технология рассматривалась в пятой части статьи) используют тот же крестообразный массив планарных элементов Холла, чувствительных к перпендикулярным компонентам поля, но снабжаются ИМК, посредством которого выполняется преобразование параллельных компонентов поля в перпендикулярные (рис. 44). За счет данного преобразования достигается физическая чувствительность датчика именно к параллельным компонентам X и Y магнитного поля, в задаче детектирования угла поворота магнитного вектора доминирующим над перпендикулярными, к которым ИС с массивом ИМК также чувствительна.

Таким образом, повышение чувствительности датчика за счет эффектов концентрации компонентов магнитного поля именно в направлении измерительных осей датчика одновременно означает значительное увеличение чувствительности датчика к компонентам поля в Z-оси.

Говоря об основном преимуществе технологии ИМК - повышении чувствительности (см. табл. 11 и 12), следует обратить внимание на их основные недостатки. Этот тип датчиков рассчитан на работу в слабых полях (до 1 Тл), поскольку в сильных полях ИМК наводит достаточно большую нелинейность. Чувствительность к магнитным неоднородностям и допускам на уровне первичных сигналов также сохраняется, в отличие от истинно нечувствительных к ним магниторезисторов, и требует схемы обработки сигнала с функцией арктангенса.

Обе технологии датчиков КМОП-совместимы, но в стандартной линейке датчиков Sentron с ИМК (2SA-10) возможности цифровой микропроцессорной обработки сигнала, техникотмены сдвигов, программирования или формирования выходного сигнала в одном из энкодерных форматов ранее не применялись.

Следовательно, синусно-косинусный выход датчиков с ИМК формирует необходимость интерфейсного АЦП, внешнего микроконтроллера, блока ЦОС - значительного числа интерфейсных компонентов.

MLX90316 Melexis

MLX90316 - новейшая программируемая гибридная ИС абсолютного магнитного углового энкодера в диапазоне 0-360° на базе технологии TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis, сенсорная часть которого состоит из одного ИМК на КМОП-подложке ИС в корпусе SOIC8 или расположенных на двойной подложке двух ИМК в корпусе TSSOP16, и массива (массивов) взаимно ортогональных планарных элементов Холла, размещенных под ИМК, попарно чувствительных к направлениям X и Y соответственно (рис. 45 а, б).

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais
Рис. 45. Практическая реализация технологии TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis™ в MLX90316 Melexis: а - размещение магнита относительно сенсорной части и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе SOIC48; б - взаиморасположение магнита относительно сенсорных частей и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе TSSOP416

Функциональная схема MLX90316 показана на рисунке 45в.

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais
Рис. 45в. Практическая реализация технологии TriaАвтомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triaisis™ в MLX90316 Melexis: функциональная схема ИС MLX90316

Кроме собственно сенсорной части этапы обработки сигнала в ИС включают: мультиплексирование (MUX), усиление, АЦП, ЦОС с микроконтроллером, RAM, ROM и EEPROM.

Первая ступень схемы предназначена для кодировки сигналов механического угла в два дифференциальных сигнала с фазовой разницей 90° - синусный и косинусный (рис. 46). Синусно-косинусные сигналы UX и UY, пропорциональные величине магнитного потока, обрабатываются в дифференциальной аналоговой цепи с применением классических техник отмены сдвигов (spinning и chopper - стабилизированный усилитель), а затем оцифровываются АЦП с разрешением, конфигурируемым в 14 или 15 бит, и передаются в блок ЦОС.

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais
Рис. 46. Формирование первичных синусно-косинусных сигналов в MLX90316

Основным элементом блока ЦОС является 16-битный RISC-микроконтроллер, использующий цифровое представление сигналов для вычисления угла посредством табличной функции арктангенса2, применяемой к соотношению сигналов UY/UX:

Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы. Часть 7. MLX90316 MELEXIS  первый магнитный угловой энкодер холла на базе технологии Triais

² В MLX90316 вычисление функции арктангенса осуществляется именно посредством просмотра таблиц, без применения CoRDiC-алгоритма

Функциональность ЦОС управляется специальным микрокодом микроконтроллера (firmware - F/W), хранимым в памяти ROM.

В дополнение к функции арктангенса ATAN микрокод F/W контролирует всю аналоговую цепь, выходную передаточную характеристику, выходной протокол, этапы калибровки, программирования и режимы самодиагностики.

Поскольку функция ATAN вычисляется из соотношения UY/UX (как при использовании магниторезистивных датчиков), угловая информация является независимой от вариаций плотности потока при изменении воздушного зазора, магнитных неоднородностей, влияния температуры, несогласований двух квадратурных сигналов.

В отличие от классических датчиков Холла рассматриваемый измерительный принцип обеспечивает улучшенную температурную точность, способность измерять углы в диапазоне 360° с высокой линейностью, независимой от взаимоположения ИС и магнита.

Текущее цифровое значение угла затем может быть преобразовано 12-битным ЦАП в аналоговую форму. Другие типы выходного формата, поддерживаемые ИС, - 12-битный ШИМ ипоследовательный выход (см. табл. 13). Выходная передаточная характеристика датчика полностью программируема (смещение,усиление, ограничивающие уровни), причем в отличие от однократно программируемых энкодеров Austriamicrosystems программирование рабочих настроек и коэффициентов MLX90316 выполняется в перепрограммируемой энергонезависимой памяти EEPROM (103-108,116).

Таблица 13. Сравнительные характеристики новейших абсолютных интегральных угловых энкодеров Холла