CC BY
22324
www.finestreet.ru
компоненты
датчики
Светлана СЫСОЕВА
Введение
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 — Tria<8>is (бренд Melexis).
Это означает, что датчик с ИМК, предназначенный для чисто двухосевых измерений — вычисления угла поворота магнитного вектора на плоскости, характеризуется уве-
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.
Автомобильные датчики положения. Современные технологии и новые перспективы
Часть 7. MLX90316 MELEXIS — первый магнитный угловой энкодер Холла на базе технологии Тпа®^
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 Tпa®is и новой интегральной схеме MLX90316, представленной в сентября 2005 года компанией Melexis — ведущим разработчиком и производителем широкой номенклатуры автомобильных интегральных датчиков.
личеннои 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).
Угловые магнитные энкодеры (Austria-microsystems, 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.
Рис. 43. Типичное применение N1X90316 Melex¡s в задаче детектирования угла поворота магнитного вектора диаметрально намагниченного постоянного дипольного магнита:
1 — магнит — цель; 2 — ИС М1_Х90316;
3 — вращающийся вал; ф — угол поворота магнита
Рис. 44. Технология эффекта Холла Тпа®^™ в ИС:
1 — подложка; 2 — ИМК; 3 — элементы Холла;
ВхиВу — компоненты магнитного поля в направлении измерительных осей X иУ; В± — перпендикулярные компоненты магнитного поля;
В// — параллельные компоненты магнитного поля
датчики
компоненты
25
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-совмес-тимы, 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 Tria<8>is, сенсорная часть которого состоит из одного ИМК на КМОП-подлож-ке 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).
Функциональная схема MLX90316 показана на рисунке 45в.
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.
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 :
ф = arctg^j-) (22)
Ux
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 воз-
2 В MLX90316 вычисление функции арктангенса осуществляется именно посредством просмотра таблиц, без применения CoRDiC-алгоритма.
90°
0° 180° 90° 270°
-ПППППППП 16 ПППППППП9
Подложка] [подложка 'Лу Подложка | 'Ж I Подложка ГУ
ч V
ыыыыыыыы*
180° 0°
270° 90°
Рис. 45. Практическая реализация технологии Triais™ в MLX90316 Melexis:
а — размещение магнита относительно сенсорной части и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе SOIC-8; б — взаиморасположение магнита относительно сенсорных частей и схема измерения угла с MLX90316 в корпусе TSSOP-16
Ф.°
Рис. 46. Формирование первичных синусно-косинусных сигналов в М_Х90316
душного 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 и последовательный выход (см. табл. 13). Выходная передаточная характеристика датчика полностью программируема (смещение,
датчики
компоненты
27
1 ■n J C1 b= 100nF
-LL чл 4 чт Vdd Vss MLX90316 Test 1 Vdig NotUsed Test 2 NotUsed Out 1 Th- 5 Tl— !l C2 100nF T C3 MOnF С
питания
"Земля1 OB
О---------о
Выход
1
АЦП
R1 f юк
тг^т
С4 ____
~|~ 4,7nF
Рис. 47. Схема применения МЬХ90316 в корпусе вОЮ-Э, рекомендуемая Меівхів для задач с аналоговым выходом
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].
Поскольку MLX90316 работает в диапазоне полей 50 мТл, так же, как и все энкодеры, представленные в таблице 12, данная ИС может быть использована в качестве альтернативной замены AS5040 в конструкции цифрового датчика положения педали, изображенной на рис. 38 в части 6 настоящей публикации. Одновременно MLX90316 является новым, практически однокомпонентным решением для аналоговых датчиков, показанных на рис. 41 (при цене ИС от $1.20).
Схему подключения MLX90316, приведенную на рис. 47, Melexis рекомендует специально для аналоговых датчиков. Например, на основе этой схемы и конструкции, показанной на рис. 41в-е, может быть получен еще один виртуальный макет датчика положения дроссельной заслонки для будущих автомобилей ВАЗ.
При программировании датчика, например с помощью комплекта PTC-04 Melexis, могут быть установлены следующие параметры:
• выход — аналоговый;
• нижний ограничивающий уровень ClampLo = 0,25 В для ф < 0°;
• верхний ограничивающий уровень ClampHi = 4,75 В для ф > 120°;
• смещение Voffset = 2,25 В;
• направление вращения, зависящее от расположения микросхемы в конструкции, например, по часовой стрелке: CLOCKWISE = CCW = 0;
• медленный (точный) скоростной режим ЦОС HIGHSPEED = 0 (Slow Mode). Обсуждая MLX90316 в сравнении, скажем,
с AS5043 или новейшей3 12-битной AS5045
с ШИМ-выходом (см. табл. 12 и 13), необходимо отметить, что МЬХ90316 позволяет получить именно аналоговую характеристику датчика положения дроссельной заслонки, которая может быть запрограммирована в ограничительных пределах углового диапазона 0° < ф < 120°, оптимальных с точки зрения унификации и совместимости устройства (рис. 48) с существующими автомобильными системами. Этапы программирования аналогового выхода МЬХ90316 будут выполняться в полном соответствии с последовательностью программирования производных
от классического типа аналоговых датчиков Холла, подробно описанной в части 2 данной статьи.
В зависимости от фактического угла запрограммированного в пределах 0-360° нулевого положения и нулевого смещения, передаточная характеристика А85043 может электрически «вращаться» (рис. 48а). В дальнейшем наклон характеристики может регулироваться изменением усиления выходной усилительной ступени ОРАМР и выбором допустимых угловых диапазонов 360°/180°/90°/45°, программируемых при сборке [107, 108].
В отличие от А85043, МЬХ90316 поддерживает не только двух-, но и многоточечную калибровку передаточной характеристики (рис. 48 б).
Дальнейшие технические данные и детали по программированию других режимов МЬХ90316 могут быть найдены в Интернете [116].
Заключение
Двухосевые магнитные угловые энкодеры с массивом планарных элементов, рассматриваемые в частях 5 и 6 настоящего цикла, месяц-два тому назад, безусловно, находились на вершине технологических достижений эффекта Холла. Несомненно, данную ситуацию изменило появление МЬХ90316, которая также относится к верхнему сегменту рынка автомобильных датчиков Холла.
Рис. 48. Сравнение способов программирования аналоговых характеристик М1_Х90316 и Ав5043 в ограниченном диапазоне угла ф:
а — программирование нулевого положения (смещения) выходной характеристики Ав5043; б — многоточечная калибровка выходной характеристики М1_Х90316:
А, В, С — точки калибровки; LNR_A_X, LNR_B_X, LNR_C_X, LNR_S0, LNR_A_S, LNR_B_S, LNR_C_S, 1^_А_У, LNR_B_Y и LNR_C_Y — параметры передаточной характеристики, устанавливаемые при программировании датчика; CLAMPLOW и ^АМРНЮН — программируемые нижний и верхний ограничивающие уровни напряжения, соответственно
3 Образцы AS5045 доступны с конца сентября 2005 года.
Получен фактически новый технический результат решения известной задачи о вычислении угла в диапазоне 0-360° поворота магнитного вектора, параллельного поверхности ИС, достигнутый за счет объединения при создании датчика и одновременного использования теоретических преимуществ нескольких известных технологий: массива планарных элемен-
тов, интегрированных магнитоконцентрирующих дисков (ИМК), магнитных угловых эн-кодеров и высоких технологий методов отмены смещений КМОП ИС Холла с ББРИОМ.
По всей видимости, ожидается новая волна разработок автомобильных ИС Холла и конструкций автомобильных датчиков верхнего уровня — угловых энкодеров, что обусловлено их высокой точностью и способностью детектирования углового положения и скорости любых автомобильных объектов, на торце которых может быть установлен дипольный постоянный магнит.
На рис. 49 показан датчик положения распределительного вала с диаметрально намагниченным магнитом — одна из новинок 2005 года от SiemensVDO.
Вероятно, тема применения эффекта Холла для создания автомобильных датчиков так и останется незавершенной в пределах данного цикла публикаций, поскольку перспективы развития этого технологического направления постоянно расширяются. Так, например, мировая научно-техническая общественность ожидает появления коммерчески доступных
трехосевых (трехмерных) интегральных датчиков Холла. Причем особые надежды возлагают на двух глобальных мировых лидеров — компании Melexis и Micronas Intermetall, которые еще в 2004 году анонсировали запуск научно-исследовательских проектов по разработке трехмерных датчиков Холла.
Существующие и потенциальные области задач, отведенные для трехмерных датчиков Холла, — это трехмерное сканирование магнитных полей, компасы, трехмерные детекторы перемещений и положения и другие аналогичные задачи. ■
Литература
115. AS5045. 12 BIT PROGRAMMABLE MAGNETIC ROTARY ENCODER. DATA SHEET Rev 1.0, 26-Sep-05. http://www.austriamicrosystems.com/ 03products/products_detail/AS5045/download/ AS5045_Data_Sheet.pdf
116. MLX90316 Rotary Position Sensor IC. Data Sheet 3901090316 Rev. 001 от 20Sep05. http://www.melexis.com/prodfiles/ DatasheetMLX90316_Rev001_1.pdf
