Создание магнитных датчиков углового положения на основе отечественной

специализированной БИС преобразователя фаза квадратурного сигнала - код положения

К1382НХ045

1

Г.В. Прокофьев, В.Г. Стахин, к.т.н., А.А. Обеднин, Н.А. Дюжев, к.ф.м.н., А.С. Юров, Н.С. Мазуркин

2

ПРОБЛЕМА

Различные датчики углового положения являются обязательным компонентом в автоэлектронике, промышленной автоматике, робототехнике, продукции ВПК.

Широкое распространение получили датчики на магнитном эффекте, используя в качестве чувствительных элементов магниторезисторы или элементы Холла и обрабатывая их сигнал на микросхемах общего назначения или микроконтроллерах.

Для снижения себестоимости изделий и их массогабаритных характеристик актуальным является использование специализированных микросхем обработки сигналов для таких датчиков.

В связи с этим ЗАО «ЗНТЦ» была разработана специализированная микросхема преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения К1382НХ045.

Разработанная микросхема позволяет создавать компактные магнитные датчики углового положения.

3

Описание БИС К1382НХ045 Работает с чувствительными элементами, преобразующими сигнал о положении в синусно-косинусный сигнал (AMR-сенсоры KMZ41, МРС-20, дискретные магниторезисторы и элементы Холла с ортогональным расположением).

Требует минимума внешних компонент (один конденсатор)

Встроенный программируемый усилитель – подстройка смещения и усиления

Разрешение 12 (13) бит

Скорость преобразования 300 (16) мкс

Цифровой аппаратный модуль вычисления кода положения

Подстройка нулевого положения, крутизны преобразования, ограничительных уровней, направления вращения

Сохранение настроек в EEPROM

Выходы – аналоговый линейный, SPI, OWI (однопроводной)

Идентификатор кристалла 32 бит

4

Сигма-дельта АЦП13 бит

MU

X1

SINp

SINn

COSp

COSn

PGA

Источник тока

VDDR

VSSR

OA

[4:0

]

GA

[4:0

]

MU

X_A

TCURR[3:0]

VREF

EN

_P

GA

Блок определения превышения

уровня входного сигнала

RE

FH

RE

FL

Блок подстройки смещения

РегистрКосинус

РегистрСинус

БлокCORDIC

Блок коррекцииположения

Тактовый генератор PORБлок опорных

напряжений

Блок накачки EEPROM

EEPROM32x16

Блок управления

Интерфейс SPI/SSI

Интерфейс OWI

ЦАП13 бит

CSn DOCLK DI CFG

OUT

VDD

AVDD

VSS

AVSS

Цифровой модуль

К1382НХ045

VREF

CLK

CLK

CLK

Структурная схема БИС К1382НХ045

5

Передаточная характеристика БИС К1382НХ045

Сравнение с конкурентомХарактеристики К1382НХ045 в.1

(в.2)ZMD U2730 (KMA199)

Разрешение 12 (13) 13

Время преобразования 240 (16) мкс 320мкс

Аналоговый выход Есть Есть

Интерфейс SPI Есть Нет

Однопроводной интерфейс Есть Только для настройки

Подстройка нулевого положения

Есть Есть

Подстройка крутизны преобразования

Есть Есть

Подстройка ограничивающих пороговых уровней

Есть Есть

7

Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки

Напряжение питания 5 В

Ток потребления не более 12 мА

Конструктив – стандартный для автомобилей ВАЗ

Выход – линейный аналоговый

Диапазон измеряемого угла 21-55 град

Угол наклона кривой 0.1071

Нелинейность не более ±2%

Настройка датчика – по однопроводному интерфейсу, совмещенному с аналоговым выходом

Требования к датчику

8

Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки

K1382HX045К1382НХ045

SINpSINn

COSpCOSn

OUT

VSSAVSS

Cf

VDDAVDD

0.1мкФ

Магниторезистор SIN

Магниторезистор COS

Uпит

Вых

GND

Разъем датчика

МРС-20

Сенсор – квадратурный AMR-магниторезистор

МРС-20 (аналог KMZ41)

9

Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки

y = 0,1071x - 1,5237

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

5,000

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Угол поворота, град

Вы

ход

но

е н

апр

яже

ни

е, В

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Ош

иб

ка п

ре

об

ра

зов

ан

ия

, %

1

2

Линейный (1)

Характеристики датчика дроссельной заслонки

10

Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный

Напряжение питания 10±10% В

Ток потребления не более 30 мА

Диаметр 45 мм, длина 50мм, вал 8 мм

Диапазон измеряемого угла 360 град

Интерфейс - SPI

Ошибка преобразования не более ±1 град

Требования к датчику

11

Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный

К1382НХ045

SINp

SINn

COSp

COSn

CLK

VSSAVSS

VDDAVDD

0.1мкФ

Uпит

SCK

GND

Разъем датчика

Элемент Холла SIN

Элемент Холла COS

CSn

MISO

Интегральный стабилизатор

5В

CSn

DO

CFG

Микрозонд

MOSI

CFG

DI

4.7к

12

Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

-0,4

9,62

19,7

29,8

39,8

49,9

59,9 70

80,1

90,1

100

110

120

130

140

151

161

171

181

191

201

211

221

231

241

251

261

271

281

291

301

312

322

332

342

352

1,85

11,9 22 32

Угол поворота, град.

Ош

иб

ка п

рео

бр

азо

ван

ия

, гр

ад.

1

График ошибки преобразования на полный оборот энкодера

13

Заключение Разработанная БИС К1382НХ045 обладает конкурентоспособными характеристиками по сравнению с зарубежными разработками.

БИС К1382НХ045 работает с различными чувствительными элементами такими как квадратурные магниторезисторы и дискретные элементы Холла.

БИС К1382НХ045 позволяет создавать датчики положения с конкурентоспособными характеристиками на полностью отечественной элементной базе.

Образцы микросхемы вместе со средствами отладки предоставляются бесплатно для исследований возможности применения.

Области применения:Промышленные датчики: абсолютные энкодеры углового положения, однооборотные и многооборотные.Электропривод: датчик обратной связи в системах управления бесколлекторными двигателями.Автоэлектроника: датчики положения подвижных механизмов.Робототехника: датчики положения подвижных узлов.Авионика и военная техника: датчики положения подвижных узлов.Электроника: компактные цифровые бесконтактные потенциометры на магнитном эффекте

14

ENC_ASIC2 - БИС однокристального многооборотного магнитного абсолютного энкодера положения

Назначение – создание быстродействующих компактных On-Axis магнитных энкодеров углового положения

Статус проекта: Первые образцы будут изготовлены к концу 2014 года.

15

ENC_ASIC2 – Структурная схема

ENC_ASIC2, Сравнение с конкурентами

Характеристики ENC_ASIC2 iC-MH,

iC-Haus

AS5145,

AMS

AM4096,

RLS

Разрешение 12 12 12 12

Время преобразования 1мкс 0.12мкс 96мкс 0.7мкс

Счетчик оборотов 10 бит Нет Нет Нет

Синусно-косинусный выход Есть Нет Нет Есть

Аналоговый выход Есть Нет Нет Есть

Интерфейс SPI Есть Есть Есть Нет

Интерфейс SSI Есть Есть Есть Есть

Инкрементальный выход Есть Есть Есть Есть

Выход UVW Есть Есть Нет Есть

Выход ШИМ Есть Нет Есть Есть

Выход Step+Dir Есть Нет Нет Нет

Подстройка нулевого положения Есть Есть Есть Есть

Подстройка ограничивающих пороговых значений положения

Есть Нет Нет Нет

17

ENC_ASIC2 –пример применения

Датчик положения ротора в системах управления бесколлекторными электродвигателями вместо традиционно используемой системы из 3-х датчиков Холла. Это позволит:

1. Достичь существенно более точного определения момента коммутации обмоток => высокой равномерности вращения;

2. Достичь высокой точности разгона, позиционирования и торможения.

«Зеленоградский нанотехнологический центр»Москва, Зеленоград, пр. 4806, д. 5, стр. 23тел. (499) 720-69-44, тел. (499) 720-69-69,

www.zntc.ru, zntc@zntc.ru

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Мы открыты для сотрудничества !

Дизайн-центр микросистемной техники и проектирования SoC

Директор Дизайн-центра: Стахин Вениамин ГеоргиевичТел. +7 (499) 720-89-52, stakhin@idm-plus.ru

Ведущий специалист направления магнитных датчиков: Прокофьев Георгий Всеволодович

Тел. +7 (499) 720-69-72, prokofiev@idm-plus.ru, skype: georgpro