Предлагаемое изобретение относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть непосредственно использовано в электронных системах управления автомобилем для определения угла открытия дроссельной заслонки, степени нажатия педали акселератора, положения клапана рециркуляции отработавших газов, углового положения распределительного вала, коленчатого вала, в других автомобильных системах, требующих получения аналогового, ШИМ или последовательного сигнала об абсолютном угловом положении вращающегося объекта (вала), а также для бесконтактного детектирования абсолютного углового положения большого числа вращающихся объектов во многих других отраслях легкой и тяжелой промышленности.
Аналогом заявляемого датчика является датчик положения педали акселератора (United States Patent 4915075 от 10 апреля 1990 года).
Устройство включает установленные в педаль потенциометр и плату со схемой формирования ШИМ-сигнала с выходным рабочим циклом, пропорциональным положению педали.
К недостаткам данного устройства относятся подверженность износу, характерная для потенциометров, малый срок службы, невысокая надежность, чувствительность к вибрации и пыли.
Аналогом заявляемого устройства является датчик углового положения с устройством Холла и постоянным магнитом заданной формы (United States Patent 5159268 от 27 октября 1992 года.).
В описании устройства указываются два предпочтительных варианта формы магнита - продолговатой и колоколообразной формы, позволяющие добиться высокой линейности при его вращении.
Недостатком данного устройства является сложность магнитной системы, необходимость использования магнитов специальной формы и применения расчетных математических методов.
Аналогом заявляемого устройства является магнитный датчик углового положения с улучшенной выходной линейностью (United States Patent 5444369 от 22 августа 1995 года).
Устройство использует массивные стационарные аксиальные магнитопроводы и вращающийся магнитопровод, к которому прикреплен один или более магнитов.
К недостаткам данного устройства относятся громоздкость, конструктивная сложность, необходимость применения при разработке устройства как расчетных методов, так и настройки и регулировки, отсутствие адаптированности к специальным требованиям, предъявляемым к механике автомобильных датчиков, работающих в ограниченном диапазоне угла поворота.
Аналогом заявляемого устройства является датчик положения педали с магнитом, движущимся относительно датчика магнитного поля, локализованного в статорном канале (United States Patent 6577119 от 10 июня 2003 года).
Устройство представляет собой бесконтактный датчик положения, в котором поверхность статора включает две области магнитного материала, магнит механически связан с ножной педалью акселератора, относительное движение которой вдоль одного или двух датчиков Холла в статорном канале вызывает образование электрического сигнала, пропорционального перемещению магнита, который обрабатывается в интегрированных схемах датчиков и одной или двух внешних ASIC (Application Specific Integrated Circuit) с возможностями программирования, например, в EEPROM линейной выходной характеристики и температурной компенсации, а также формирования сигнала для передачи по последовательному протоколу, например по шине CAN.
Недостатком данного устройства является сложность описываемой магнитной системы, необходимость применения двух датчиков Холла для повышения точности измерений, одной или двух внешних интерфейсных ASIC для реализации необходимого интерфейса.
Аналогом заявляемого устройства является датчик углового положения с двумя закрепленными на роторе радиальными магнитами, создающими рабочее поле, которое при вращении ротора измеряется внешним датчиком магнитного поля (предпочтительно магниторезистивным AMP-датчиком или же датчиком Холла) (United States Patent 6806702 от 19 октября 2004 года).
Недостатком данного устройства является громоздкость, необходимость применения двух магнитов и одной или нескольких внешних ASIC-обработчиков мостового сигнала; функциональный угловой диапазон AMP-датчика не превышает 180°.
Конструктивными аналогами заявляемого устройства также являются:
бесконтактный датчик скорости автомобиля, предназначенный для измерения угловой скорости зубчатого ротора, применяющий магнитопровод в составе магниточувствительного элемента для получения скважности, близкой к двум (Патент РФ №35441 на полезную модель по заявке №2003127267 от 08.09.2003, МПК G01Р 3/488, зарегистрировано в Гос. реестре полезных моделей РФ 10.01.2004);
бесконтактный датчик скорости автомобиля, встраиваемый в коробку передач (Патент РФ №36894 на полезную модель по заявке №2003132947 от 11.11.2003, МПК G01Р 3/488, зарегистрировано в Гос. реестре ПМ РФ 27.03.2004);
и бесконтактный датчик скорости автомобиля. (Решение о выдаче патента на изобретение №2004102133/28 (002114) от 26.01.2004, заключение от 12.04.2004).
Применение данных устройств, функциональным назначением которых является детектирование угловой скорости, не предоставляет возможность детектировать абсолютное угловое положение в непрерывном режиме реального времени.
Прототипом заявляемого датчика является измерительное устройство для бесконтактного определения угла вращения (United States Patent 6534971 от 18 марта 2003 г.).
Данное устройство включает ротор, на котором расположен постоянный магнит с диаметральным направлением намагниченности и статор - элемент Холла, расположенный асимметрично и описывающий эллиптическое вращательное движение постоянного магнита. При этом никакие концентраторы магнитного потока в данной конструкции не используются. Указанная магнитная система позволяет получить область выходной характеристики с крутой областью снижения и характерными плоскими областями.
Недостатком данного устройства является сужение диапазона измеряемого угла вследствие недостаточной однородности выходной характеристики (в описании изобретения указывается угловая область линейности до 80°, тогда как во многих случаях для эффективной работы датчика требуется измерять углы 100...120° и более, до 360° или для некоторых типов устройств углы в несколько полных оборотов).
Обычные линейные датчики на основе эффекта Холла, рекомендуемые для данного устройства-прототипа, имеют достаточно много недостатков: низкая чувствительность, дрейфы чувствительности, смещение и дрейфы смещения и значительная нелинейность (до 3% в полном диапазоне, который обычно менее 90°).
В устройстве также отсутствуют специальные схемотехнические и механические средства адаптации к конкретным условиям работы.
Задачи изобретения - упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа, повышение надежности и точности, повышение линейности (абсолютных и относительных показателей линейности аналогового сигнала, дрейфа скважности ШИМ-сигнала или точности передаточной характеристики в абсолютном цифровом формате), улучшение повторяемости, расширение функционального диапазона и линейного участка измеряемого угла до любого значения в пределах 0-360°, увеличение чувствительности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, осуществление прямого замещения аналоговых трехпроводных и двухпроводных (ШИМ) потенциометров и классических датчиков на основе эффекта Холла, возможность гибкой адаптации устройства для встраивания его в существующие автомобильные системы, а также для внешнего (по отношению к детектируемой автомобильной системе) монтажа датчика на торце вала, возможность использования различных магнитных роторов, а также обеспечение функциональности устройства в условиях значительных статических и динамических системных смещений.
Поставленные задачи решаются тем, что бесконтактный датчик абсолютного углового положения, в котором магнитный ротор с магнитом осуществляет вращение магнита в детектируемом угловом диапазоне относительно неподвижного статора - интегральной схемы (ИС) датчика магнитного поля на эффекте Холла, состоит из двух механически не взаимосвязанных и изолированных друг от друга частей с постоянным воздушным зазором в пространстве между ними, одной частью вышеуказанного датчика абсолютного углового положения является роторный узел, выполненный из материала, не проводящего магнитное поле, с магнитом, в процессе сборки по результатам выравнивания жестко установленным (запрессованным и вклеенным) в роторном узле, механически связанном с вращающимся валом детектируемого объекта (цели) посредством ориентирующей лыски или ориентирующего паза в установочной втулке ротора и имеющем возможность поворота с внешней стороны корпуса устройства на детектируемый в пределах полного механического диапазона устройства угол ϕ, другая часть вышеуказанного датчика абсолютного углового положения представляет собой статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, предоставляющих через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом, ротор и статор вышеуказанного датчика абсолютного углового положения размещаются в пространстве таким образом, что легкая ось намагниченности и основание диаметрально намагниченного цилиндрического роторного магнита при его вращении параллельны лицевой поверхности ИС статора, представляющей собой программируемую в памяти EEPROM ИС двухосевого магнитного углового энкодера с аналоговым выходом, интерфейсом ШИМ или последовательным интерфейсом, формируемым по результатам оцифровки и цифровой обработки на интегрированных ступенях АЦП-ЦОС с использованием функции арктангенса сигналов интегрированного крестообразного массива планарных элементов Холла, чувствительных к градиенту компонентов рабочего магнитного поля, перпендикулярных лицевой поверхности вышеуказанной ИС, запаиваемой способом поверхностного монтажа на печатной плате с компонентами схемы вышеуказанного датчика абсолютного углового положения.
Схема вышеуказанного датчика Холла представляет собой двухосевой магнитный угловой энкодер, который допускает выбор формата и программирование после сборки всего устройства основных параметров его выходной передаточной характеристики - аналоговой, ШИМ или характеристики в последовательном формате - ограничивающих уровней выходного напряжения и точек калибровки или нулевого положения, направления вращения магнита или направления наклона передаточной характеристики, смещения и усиления (чувствительности) и (или) других параметров.
Выходной разъем корпуса устройства содержит только функциональные выводы, используемые в дальнейшем процессе эксплуатации после программирования датчика, причем в процессе программирования устройства используются только функциональные выводы ИС. Никакие технологические проводные выводы и (или) проводной шлейф вспомогательного технологического разъема при программировании не используются.
В бесконтактном программируемом датчике абсолютного углового положения в диапазоне 360° допускается как аксиальное, так и радиальное расположение корпуса статора относительно ротора, а также аксиальный вариант расположения статора, снабженного внутренней втулкой под роторный узел с воздушным зазором между всеми статорными поверхностями и роторными поверхностями, примыкающими к вышеуказанным статорным поверхностям (для внешнего монтажа).
Вышеуказанная ИС с массивом планарных элементов Холла, чувствительных к градиенту компонентов рабочего магнитного поля, перпендикулярных лицевой поверхности вышеуказанной ИС, может снабжаться интегрированным магнитоконцентрирующим (ИМК) диском (дисками), посредством которого при вращении дипольного магнита выполняется преобразование параллельных компонентов поля в перпендикулярные лицевой поверхности вышеуказанной ИС.
При программировании вышеуказанной ИС может обеспечиваться выбор выходного формата, поддержка двух- или многоточечной калибровки, возможность программирования основных и вспомогательных параметров индивидуальных участков выходной передаточной характеристики при многоточечной калибровке.
Основание роторного диаметрально намагниченного цилиндрического постоянного магнита может быть круговым или кольцевым.
Для выравнивания магнит может жестко устанавливаться (запрессовываться и (или) вклеиваться) во втулке с пазами, используемыми для индикации положения нулевой плоскости магнитной симметрии (полюсов магнита), или под отвертку, жестко устанавливаемую (вклеиваемую) в роторном узле по результатам выравнивания магнита. Пазы для индикации нулевого положения или под отвертку могут также выполняться в теле магнита. Для визуального различия полюсов может также применяться покраска магнита.
Для защиты вышеуказанного датчика Холла от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода, если эта защита не предусмотрена в интегральной схеме вышеуказанного интегрального датчика Холла, схема устройства, расположенная на плате датчика, может включать необходимые схемы защиты (стабилитрон, выпрямитель, конденсаторы фильтров и др.).
Бесконтактный программируемый датчик углового положения в диапазоне 360° показан на фиг.1-24.
На фиг.1-8 показаны примеры конструкций аналоговых бесконтактных программируемых датчиков абсолютного положения. На фиг.1, 4, 6 показаны общие (аксонометрические) виды устройств, на фиг. 2, 3, 5, 7, 8 показаны виды примеров датчиков в разрезе, иллюстрирующие принцип действия заявляемого устройства.
На фиг.1-5 показаны исполнения устройств, рассчитанные на встраивание в автомобильные системы, с уплотнительным кольцом:
на фиг.1-3 показано аксиальное исполнение устройства;
на фиг.4, 5 показано радиальное исполнение устройства.
На фиг.6-8 показано исполнение устройства, предназначенного для монтажа над торцом выходного вала (внешнего по отношению к детектируемой автомобильной системе).
На фиг.1, 2 и 6, 7 показаны исполнения устройства, в которых роторный узел снабжается регулировочной втулкой-корпусом под магнит с пазом, идентифицирующим положение нулевой плоскости симметрии (полюсов магнита), или применяемым для подгонки отверткой положения магнита в процессе сборки роторного узла. На фиг.3, 4, 5 и 8 показаны варианты конструкции устройства без индивидуальной втулки-корпуса под магнит, полюса которого визуально различимы.
На фиг.9 показаны соответствующие фиг.1-8 варианты исполнения роторного узла.
На фиг.10 приведен пример схемы электрической принципиальной заявляемого устройства с программируемой в EEPROM ИС двухосевого магнитного углового энкодера MLX90316 Melexis.
На фиг.11 приведена функциональная схема ИС MLX90316.
На фиг.12 показаны основные элементы магнитной системы и проиллюстрирован принцип действия заявляемого устройства.
На фиг.13а-г подробно проиллюстрирован рабочий принцип датчика с массивом элементов Холла и ИМК, реализованный в технологии "Triaxis" Melexis:
на фиг.13а показано преобразование компонентов В|| параллельного рабочего магнитного поля в перпендикулярные В⊥ посредством ИМК-диска для считывания поля планарными элементами Холла;
на фиг.13б показаны расположение диска ИМК и массива элементов Холла на подложке в ИС и преобразование параллельных компонентов магнитного поля ВX и BY в направлении измерительных осей Х и Y;
на фиг.13в показан принцип получения синусоидальных и косинусоидальных сигналов с массива элементов Холла для детектирования угла ϕ;
на фиг.13 г показаны сформированные на первичном этапе сигналообразования в ИС MLX90316 синусно-косинусные сигналы напряжения.
На фиг.14 дана иллюстрация рабочего принципа 12-битного аналогового двухосевого магнитного углового энкодера (разрешение ЦАП аналогового выхода MLX90316 - 12 бит).
На фиг.15 проиллюстрирован принцип вычисления угла MLX90316 в корпусе SOIC-8 и показаны примеры аналоговых выходных характеристик ИС MLX90316,
на фиг.16 показан выходной ШИМ-интерфейс MLX90316,
на фиг.17 проиллюстрировано получение последовательного интерфейса в MLX90316.
На фиг.18 показаны примеры аналоговых выходных режимов заявляемого устройства, примеры конструкций которого соответствуют фиг.1-8, в ограниченном диапазоне угла ϕ, выбранного для данных конструкций равным 120°, с направлением вращения против часовой стрелки.
На фиг.19-22 показаны:
типичный рабочий режим классического аналогового датчика Холла (фиг.19а);
первичный этап формирования передаточной характеристики (фиг.19б, в);
типичные программируемые выходные характеристики классического датчика Холла (фиг.20-22).
На фиг.23 показаны аналоговые выходные режимы заявляемого устройства в сравнении с примером характеристики классического датчика Холла и возможными примерами характеристик типичных ИС энкодеров (на примере однократно программируемой в памяти OTPROM AS5043 Austriamicrosystems).
На фиг.24 показано сравнение способов программирования аналоговых характеристик MLX90316 и ИС энкодера AS5043:
на фиг.24а показано программирование нулевого положения (смещения) выходной характеристики AS5043;
на фиг.24б показана многоточечная калибровка выходной характеристики MLX90316.
В таблице приведены основные технические характеристики MLX90316.
Бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения, примеры конструкций которого показаны на фиг.1-9, реализует рабочий режим устройства с вращением дипольного магнита в диапазоне механического угла ϕmax=0...360°. В качестве примера для получения аналоговых функциональных характеристик (фиг.15 и 18) выбрано детектируемое механическое угловое значение ϕmax=120°. Программно заданный эффективный электрический угол ϕeff и линейный участок ϕlin при этом составляет также 120°.
Бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения, показанный на фиг.1-9, состоит из ротора 1 (сборочной единицы роторного узла) и статора 2, закрепляемого на одном или нескольких винтах. Между ротором и статором существует постоянный воздушный зазор d.
Роторный узел 1 включает жестко установленный диаметрально намагниченный цилиндрический постоянный магнит 3, запрессованный в вариантах исполнений, показанных на фиг.1-2, 6-7 и 9а, в пластмассовую регулировочную втулку-корпус 4 с пазом 13; сборка магнита 3 с втулкой 4 запрессовывается во вращающуюся установочную втулку 5. Магнит 3 без втулки 4 (также и с пазом 13) (фиг.1, 3, 4-5, 6, 8, 9б) запрессовывается непосредственно во вращающуюся установочную втулку 5.
Статор 2 датчика включает печатную плату 6, на которой запаяны датчик Холла - двухосевой магнитный угловой энкодер 7 и контакты разъема 8.
Для обеспечения функциональности заявляемого датчика необходимо обеспечивать рабочий зазор D между магнитом 3 и датчиком Холла 7, предписываемый для данной магнитной системы (фиг.12-14).
Статор 2 датчика выполняется как единый сборочный узел. Ориентировочно этапы сборки корпуса 2 с компонентами заявляемого устройства определяются следующей последовательностью. Вначале изготавливается электронный блок в сборе с верхней или нижней частью корпуса 9, с контактами разъема 8 по технологии обливки или запрессовки. Интегральный датчик Холла - двухосевой магнитный угловой энкодер 7 устанавливается на плате 6 и запаивается. Предпочтительное механическое расположение датчика 7 на плате 6 относительно корпуса 2 выбирается конструктивно. Плата 6 устанавливается в паз верней части корпуса 9 статора 2. Контакты 8 запаиваются на плате 6. Затем электронный блок с частью корпуса 9 обливается пластмассой для формирования нижней части корпуса 10 (фиг.1-5) или закрывается крышкой 10, которая затем заклеивается (фиг.6-8).
Ротор 1 механически связан с вращающимся валом детектируемого объекта (цели) 11 и имеет возможность поворота с внешней стороны основания корпуса 2 на угол ϕ=0...360°. С обратной стороны установочной втулки 5 ротора 1 имеются ориентирующие пазы (или лыска) для точного сопряжения роторного узла 1 с валом 11. Корпус статора 2 жестко крепится одним, двумя или более винтами к неподвижной части объекта.
Устройства, рассчитанные на встраивание в автомобильные системы (фиг.1-5), дополнительно снабжаются уплотнительным кольцом 12.
Постоянный магнит 3 (или сборка магнита 3 со втулкой 4) жестко устанавливается (запрессовывается и вклеивается) в установочной втулке 5 роторного узла 1 по результатам выравнивания нулевой плоскости симметрии магнита 3, что необходимо для получения идентичных технических характеристик партии изделий.
Нулевому магнитному вектору с нулевым значением магнитной индукции магнитного поля (или легкой оси намагниченности) в заявляемом устройстве может соответствовать любое механическое положение магнита 3 относительно ротора 1, установочной втулки 5 и корпуса статора 2, но при этом поворот нулевого вектора (или легкой оси намагниченности) магнита 3 при программировании передаточной характеристики должен быть согласован с измерительным принципом данной ИС, как показано на фиг.15 для аналоговых характеристик MLX90316.
При программировании MLX90316 задаются ограничивающие уровни напряжения UClampLo, UClampHigh, смещение U0q (напряжение при нулевой индукции поля), направление наклона (направление вращения магнита) и другие параметры выходной характеристики.
Для заявляемого устройства, принципиальная электрическая схема которого показана на фиг.10, ИС MLX90316 является первым коммерчески доступным продуктом. Измерительный принцип MLX90316 в корпусе SOIC-8 показан на фиг.12-14. При данном взаиморасположении магнитных полюсов магнита 3 и ИС 7 в конструкциях, показанных на фиг.1-9, нулевому углу поворота магнита 3 относительно ИС 7 соответствует нулевое значение магнитной индукции поля.
С учетом этого взаиморасположения в конструкции датчика нулевой магнитный вектор, индицируемый пазом 13 втулки 4 или магнита 3 (фиг.1-9), может совпадать или отличаться от нулевого вектора отсчета эффективного электрического угла ϕ относительно корпуса статора 2 и ИС 7 на постоянное угловое значение, которое в случае несовпадения целесообразно принимать равным ϕmax/2 (см. фиг.15 и 18).
Вращение магнита 3 в примерах конструкций, показанных на фиг.1-8, осуществляется против часовой стрелки относительно лицевой поверхности ИС 7, что задается программно (фиг.18).
Поскольку в серийном производстве желательно получение идентичных характеристик заявляемого устройства, с этой целью установку магнита 3 целесообразно производить по результатам его выравнивания в роторном узле 1, которое следует выполнять идентично для партии выпускаемых изделий.
Для установки магнита 3 может быть использована втулка 4, которая снабжается пазом 13 под отвертку для возможности предварительной ориентации нулевой плоскости симметрии или легкой оси намагниченности магнита 3 (фиг.9) перед его жесткой установкой (по результатам измерений магнитного поля, например, тесламетром, гауссметром, калиброванной линейной ИС Холла или с применением специальных аппаратно-программных средств).
Кроме того, за счет применения втулки 4 обеспечивается:
1) возможность выравнивания нулевого положения магнита 3 в процессе монтажа статора 2 или сборки узла ротора 1;
2) увеличение рабочей зоны выравнивания с малым магнитом 3 - начальных угловых допусков; при этом могут быть увеличены размеры втулки 4.
Вместо ориентирующего паза 13 втулки 4 (фиг.9а) нулевая плоскость симметрии магнита 3 может быть обозначена также канавкой 13 на поверхности магнита 3 (фиг.9б) или намечена краской. Для визуального различения полюсов магнит 3 также может быть покрыт краской двух цветов.
В серийном производстве, а также в том случае, когда применение втулки 4 уменьшает диапазон допустимых рабочих воздушных зазоров d и D (см. фиг.1-9 и 12-14), вариант с краской одного или двух цветов предпочтителен. Магнит 3 тогда может совмещаться с втулкой 5 ротора 1.
В заявляемом устройстве могут быть использованы оба из вышеперечисленных вариантов установки магнита 3. Во всех случаях выравнивание магнита 3 относительно датчика 7 обеспечивается в процессе монтажа ротора 1 и статора 2 заявляемого устройства или сборки мехатронного блока с ротором 1; по результатам выравнивания магнит 3 (также и в случае применения корпуса 4) жестко устанавливается (заклеивается) в роторном узле 1.
3 - контактный выходной разъем корпуса 2 датчика углового положения с MLX90316, принципиальная электрическая схема которого показана на фиг.10, предназначен для формирования аналогового канала передачи данных (варианты, показанные на фиг.15, 18). Альтернативными вариантами являются двухпроводной ШИМ-интерфейс или последовательный интерфейс ИС, показанные на фиг.16 и 17 соответственно.
В процессе программирования MLX90316 используются только функциональные выводы ИС 3 и контакты разъема 8. Никаких специальных проводных выводов, технологических перемычек и (или) разъемов для программирования устройства не требуется.
Программируемый магнитный угловой энкодер MLX90316, рекомендуемый для магнитной системы заявляемого датчика, функционирующего на основе рабочего принципа, показанного на фиг.12-14, - новейший и наиболее предпочтительный компонент элементной базы существующих на момент подачи данной заявки двухосевых магнитных угловых энкодеров, поддерживающих аналоговый, ШИМ или последовательный интерфейс.
MLX90316 - это гибридная ИС абсолютного магнитного углового энкодера в диапазоне 0...360° на базе технологии "Triaxis™" Melexis, сенсорная часть которого состоит из одного интегрированного магнитоконцентрирующего (ИМК) диска 14 диаметром DИМК на КМОП - подложке 16 ИС 7 в корпусе SOIC-8 (или расположенных на двойной подложке двух ИМК в корпусе TSSOP16), и интегрированного крестообразного массива (массивов) взаимно ортогональных планарных элементов Холла 15, размещенных под ИМК 14, попарно чувствительных к направлениям Х и Y соответственно, в плоскости, параллельной лицевой поверхности ИС 7 (фиг.13).
Применение ИМК 14 обеспечивает преобразование компонентов В|| магнитного поля, параллельных поверхности ИС 7, в перпендикулярные В⊥ (фиг.13а-в). За счет данного преобразования достигается физическая чувствительность датчика именно к компонентам ВX и BY магнитного поля, параллельным поверхности ИС 7, которые при повороте магнитного вектора дипольного магнита 3 в описываемой магнитной системе без ИМК доминируют над перпендикулярными. MLX90316 с ИМК 14 и массивом планарных элементов Холла 15 производит электрическое отображение преобразованного ИМК 14 рабочего магнитного поля В⊥, перпендикулярного поверхности ИС 7, к которому чувствительны элементы Холла 15 ИС 7.
Таким образом, повышение чувствительности датчика за счет эффектов концентрации компонентов магнитного поля именно в направлении измерительных осей датчика X и Y одновременно означает значительное увеличение чувствительности датчика к компонентам поля в вертикальной оси Z, увеличение сенсорного расстояния D и, следовательно, и d (фиг.1-8, 13-14).
Функциональная схема MLX90316 показана на фиг.11, технические характеристики отражены в таблице.
Кроме собственно сенсорной части, этапы обработки сигнала в ИС включают мультиплексирование (MUX), усиление, АЦП, ЦОС с микроконтроллером, RAM, ROM и EEPROM. Затем полученное цифровое значение переводится в аналоговый, ШИМ или последовательный сигнал.
Первая ступень схемы предназначена для кодировки сигналов механического угла в два дифференциальных сигнала с фазовой разницей 90° - синусный и косинусный (фиг.13г). 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, которые позволяют достигать значений смещения порядка нескольких мкТл), 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 арктангенса, применяемой к соотношению сигналов UY/UX:
АЦП и блок ЦОС обеспечивают высокоточный расчет углового положения магнита относительно ИС (угла поворота магнитного вектора, параллельного поверхности ИС).
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 D или d, магнитных неоднородностей, влияния температуры, несогласований двух квадратурных сигналов UY и UX.
ИС Холла MLX90316 обладает способностью измерять углы 0...360°, в отличие от AMP-датчиков (0...180°) и классических датчиков Холла (0...120°) с высокой линейностью, независимо от взаимоположения ИС и полюсов магнита в конструкции.
В описываемой магнитной системе (фиг.12-14) ось вращения цилиндрического дипольного магнита 3 должна быть центрирована с массивом измерительных элементов 15, являясь точкой отсчета полярной системы координат для определения угла (поворота легкой оси (фиг.14), но рассматриваемый измерительный принцип устойчив также к смещениям магнита 3 относительно его оптимального положения в плоскости измерительных осей X, Y.
Текущее цифровое значение угла затем может быть преобразовано 12-битным ЦАП в аналоговую форму (фиг.10, 14, 15, 18). Другие типы выходного формата, поддерживаемые ИС - 12-битный ШИМ (фиг.16) и последовательный выход (см. фиг.17 и табл.).
Как упоминалось выше, выходная передаточная характеристика датчика является полностью программируемой (смещение U0q (среднеквадратическое напряжение), усиление, ограничивающие уровни UClampLo, UClampHigh) непосредственно в рабочих условиях, причем, в отличие от однократно программируемых энкодеров, например Austriamicrosystems, программирование рабочих настроек и коэффициентов MLX90316 выполняется в перепрограммируемой энергонезависимой памяти EEPROM.
При программировании с помощью комплекта РТС-04 Melexis передаточных характеристик, показанных на фиг.15, для примеров конструкций заявляемого датчика, показанных на фиг.1-8, устанавливаются следующие параметры:
- выход (передаточная характеристика) - аналоговое напряжение U(ϕ);
- нижний ограничивающий уровень ClampLo=0,25 В (UClampLo) для ϕ≤0° (или для ϕ≤-60°, или ϕ≤300°);
- верхний ограничивающий уровень ClampHi=4,75 В (UClampHigh) для ϕ≥120° (или для ϕ≥60°);
- смещение Voffset (U0q)=2,25 В или 0В;
- направление вращения, выбранное в конструкциях, показанных на фиг.1-8,
- против часовой стрелки: CLOCKWISE=CCW=1 (в других конструкциях заявляемого устройства направление вращения может быть иным - по часовой стрелке - CW);
- медленный (точный) скоростной режим работы ЦОС HIGHSPEED=0 (Slow Mode).
Как упоминалось выше, поскольку программирование ИС выполняется через функциональные выводы, в контактный интерфейс включаются только функциональные выводы датчика. Никаких выводов датчика, не используемых в дальнейшем после его программирования в перепрограммируемой памяти EEPROM, в заявляемом устройстве нет, что означает упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа.
Альтернативная элементная база ИС для конструкций данного типа - магнитные угловые энкодеры с последовательным, линейным аналоговым или ШИМ-выходом, рассчитанные на однократное программирование с использованием специальных выводов (10-битные ИС AS5040/3 Austriamicrosystems, 12-битная ИС AS5045 с ШИМ-выходом), программирование только в заводских условиях (ИС АМ512 RLS), а также энкодеры со специальным конфигурированием выводов (iC-MA iC-Haus).
MLX90316 поддерживает все названные выше типы выходных форматов; на основе данной ИС могут быть выполнены универсальные бесконтактные конструкции (фиг.1-8), выходной формат передаточной характеристики заявляемого датчика, угловой диапазон и другие параметры гибко настраиваются (программируются) для работы в составе любой автомобильной системы.
Необходимо отметить, что MLX90316 позволяет получить именно аналоговую характеристику, например для датчика положения дроссельной заслонки (фиг.6-8) оптимальную с точки зрения унификации и совместимости с существующими автомобильными системами, которая может быть запрограммирована после сборки устройства в пределах всего механического углового диапазона ϕmax в пределах 0°≤ϕ≤120°, который будет являться одновременно и полным диапазоном ϕeff (ϕeff - эффективный электрический угол или полный диапазон), и функциональным линейным угловым диапазоном ϕlin (см. фиг.15, 18).
Применение программируемой ИС двухосевого углового энкодера в комбинации с вращающимся постоянным магнитом, создающим рабочее поле, позволяет получать в диапазоне 0...360° четыре (по числу элементов Холла) или два аналоговых рабочих сигнала (фиг.13 г), что эквивалентно применению четырех или, как минимум, двух аналоговых датчиков Холла классического типа в альтернативных конструкциях и означает упрощение конструкции, технологии сборки и монтажа заявляемого устройства по сравнению с аналогами и прототипом.
За счет качества сборки и однородности магнитных поверхностей магнита достигается дальнейшее повышение точности и повторяемости измерений, повышение надежности.
Специальное внимание уделяется вопросу выбора магнитов: магниты должны быть цилиндрической формы, диаметрально намагниченные. В конструкциях, показанных на фиг.1-9, используется магнит ⊘6×3.
Магнитный материал может быть любого из следующих типов: AlNiCo, SmCo5 или NdFeB. В автомобильных системах с повышенной рабочей температурой наиболее предпочтительным материалом является SmCo, имеющий лучшие свойства температурной стабильности.
Магнитное поле, перпендикулярное поверхности сенсорного массива, в радиусе порядка 1 мм должно составлять приблизительно ±50 мТл (см. табл.). В конструкции датчика могут быть использованы магниты и другой геометрии, но это может повлиять на величину расстояния D до ИС (расстояния d между ротором и статором).
С магнитом ⊘6×3 рекомендуемое рабочее магнитное поле достигается на расстоянии D=0,5...1,5 мм до поверхности ИС (плюс 0,46 мм до поверхности ИМК).
Максимальная плотность потока для ИС с ИМК не может превышать ±1 Тл (для MLX90316 рекомендуется ±700 мТл), так в сильных полях ИМК наводит значительную нелинейность.
В отличие от классических датчиков Холла, магниты, используемые в заявляемом устройстве, отличаются меньшими размерами и могут быть более слабыми; описываемый измерительный принцип заявляемого устройства обеспечивает улучшенную температурную точность, способность измерять углы 360° с высокой линейностью, независимой от взаимоположения ИС и полюсов магнита в конструкции (в отличие от классического измерительного принципа датчиков Холла - см. фиг.19).
Диаметрально намагниченный магнит цилиндрической формы для энкодеров Холла - значительно меньших размеров по сравнению с магнитами для AMP-датчиков, используемых ранее в аналогичной измерительной конфигурации (как показано на фиг.12), с возможностью детектирования на основе AMP-эффекта углов в диапазоне ϕ=0...180°.
Высокая чувствительность магнитных угловых энкодеров Холла, после усиления сравнимая с чувствительностью эффекта AMP (порядка 20 мВ/мТл), позволяет использовать рабочий воздушный зазор d во всех конструкциях (фиг.1-9), достаточный для изоляции ротора и статора друг от друга.
В отличие от альтернативных устройств на основе AMP-эффекта, для которых необходим специальный обработчик мостовых сигналов, количество внешних дискретных компонентов в схеме датчика является минимальным.
Конструкция заявляемого датчика характеризуется простотой, технологичностью, надежностью, минимальным набором механических и электрических компонентов и максимальным набором адаптационных признаков к конкретным условиям работы.
Заявляемый датчик абсолютного углового положения на эффекте Холла отражает, в первую очередь, разделение устройства на две части - роторную и статорную, физически не контактирующие между собой (с постоянным воздушным зазором между ними). Функционирование заявляемого датчика в диапазоне угла 0...360° осуществляется на основе магнитной системы, описанной выше и показанной на фиг.12, с программируемой в EEPROM ИС двухосевого магнитного углового энкодера и цилиндрическим дипольным магнитом, магнитный вектор которого при вращении параллелен лицевой поверхности ИС.
Разделение устройства на две части позволяет сократить число механических компонентов, задействованных в физической реализации магнитной системы, и свести их механическое контактирование к минимуму, тем самым повысить надежность и увеличить срок службы изделия; за счет возможности использования различных магнитных роторов и программирования после сборки повышается адаптивность устройства к конкретным условиям работы.
Разделение корпуса на две отдельные части - ротор и статор - позволяет регулировать (как правило, увеличивать) магнитную чувствительность датчика (крутизну рабочих магнитных сигналов), использовать меньшие рабочие зазоры D и d и более слабые магниты, или, напротив, большие зазоры D и d с несколько более сильными магнитами, чем предусмотрено спецификацией ИС датчика (рабочее поле MLX90316 должно быть менее ±700 мТл).
Повышение чувствительности заявляемого устройства означает также, что увеличивается амплитуда рабочих синусоидальных и косинусоидальных рабочих сигналов, которые в этом случае будут более помехоустойчивыми.
При малых рабочих зазорах d (D) расположение микросхемы внутри корпуса статора датчика полностью исключает риск ее физического разрушения вследствие осевых биений детектируемого вала (распределительного вала, привода дроссельной заслонки, педали и т.д.), и механической вибрации.
За счет введения ориентирующих пазов (лыски) в установочной втулке ротора датчика и втулке - корпусе магнита для быстрой механической подгонки положения магнита отверткой обеспечивается технологичность конструкции. Лыска в установочной втулке датчика, паз под отвертку в корпусе или теле магнита или возможность визуального различения полюсов при покраске магнита обеспечивают идентичные технические характеристики серийно выпускаемых изделий.
Отсутствие каких-либо механических ограничителей осевых перемещений ротора с магнитом и измеряемого угла (например, упоров в корпусе статора датчика и выступов ротора), что достижимо именно за счет возможности программирования заявляемого устройства после его полной сборки и (или) монтажа, также означает упрощение конструкции и повышение технологичности устройства.
В совокупности, за счет разделения корпуса на роторную и статорную части, физически не контактирующие между собой (с постоянным воздушным зазором между ними), использования в узлах конструкции только минимального набора ориентирующих пазов и за счет программирования передаточной характеристики после сборки и (или) монтажа достигается увеличение надежности, повышение точности измерений, повторяемости заявляемого устройства.
В дальнейшем, за счет возможностей интегрированной схемы обработки сигнала энкодера, программирования ИС в EEPROM в конкретных условиях работы, наличия готового аналогового, ШИМ или последовательного интерфейса и интегрированных схем защиты повышается точность датчика, развивается адаптивность к конкретным условиям работы, обеспечивается минимальное число компонентов схемы и контактов датчика.
Программирование после сборки всего устройства основных параметров его аналоговой, ШИМ выходной характеристики или характеристики в последовательном формате - ограничивающих уровней выходного напряжения и точек калибровки, направления вращения, смещения и усиления (чувствительности) и (или) других параметров обеспечивает в конструкции произвольный или оптимальный (для серийного производства) выбор положения нулевой плоскости магнитной симметрии роторного магнита относительно корпуса статора датчика, что также повышает адаптивность устройства.
Минимизация электронных компонентов достигается за счет применения ИС энкодера Холла с высокой степенью интеграции (минимальный набор внешних интерфейсных компонентов применяется только в случае отсутствия идентичных интегрированных средств).
Существенным преимуществом заявляемого устройства является его способность детектировать максимальный механический угловой диапазон ϕmax.
На фиг.23 показано сравнение классической передаточной характеристики датчика Холла (функционирование классических датчиков Холла подробно проиллюстрировано фиг.19-22), режимов альтернативного устройства на основе AS5043 и пример выходной характеристики заявляемого устройства. Фиг.23 иллюстрирует расширение максимального механического ϕmax, эффективного электрического ϕeff и линейного диапазонов ϕlin измеряемых углов ϕ в заявляемом датчике (1 - выходная характеристика классического датчика Холла; 2 - высоколинейный аналоговый режим заявляемого устройства; 3, 4 - диагностические аналоговые режимы устройства AS5043).
На фиг.19-23 показано, что классический датчик Холла позволяет обеспечить только очень малый полный диапазон ϕ (эффективный электрический угол ϕeff=90°, линейный диапазон ϕlin при этом не более 80°) вследствие того, что рабочее магнитное поле В (или сигнал напряжения Холла UH) при вращении магнита представляет собой синусоидальный сигнал В(ϕ), который линейно аппроксимируется в диапазоне эффективного электрического угла ϕeff, обычно не превышающего 100-120° (фиг.19в, фиг.20). Обычные датчики Холла в значительной степени подвержены влиянию магнитных неоднородностей и допусков невыравнивания, что означает присутствие некоторого ненулевого смещения Boff или (-Boff) чувствительного элемента Холла с чувствительностью σ (фиг.19б), а также влиянию температурных дрейфов смещения ±Вoff и чувствительности σ.
Стандартная аналоговая передаточная характеристика классического датчика Холла, программируемого в EEPROM по двум точкам калибровки на границах линейного диапазона, показана на фиг.20. На фиг.21 показано определение среднеквадратического 50%-ного рабочего цикла при нулевом значении магнитной индукции поля В и ШИМ выходы в точках калибровки для устройства на основе классического датчика Холла с ШИМ передаточной характеристикой. В отличие от классической (фиг.21), ШИМ передаточная характеристика заявляемого устройства (фиг.16) независима от положения полюсов магнита.
Программирование классического линейного датчика Холла с EEPROM по двум точкам калибровки позволяет получать в нормализованной шкале отсчета углового положения (выходные характеристики U(ϕ), пропорциональные напряжению питания Uпит=5 В (фиг.22). В процессе программирования задается среднеквадратическое напряжение U0q и запасается расчетное значение магнитной чувствительности SМ, например среднеквадратические напряжения U0q1, U0q2, U0q3 и чувствительности SМ1, SМ2, SМ3 сигналов 1, 2 и 3, показанных на фиг.22 (1 - биполярная характеристика (классическая); 2 - униполярная характеристика; 3 - инвертированная униполярная характеристика).
Программирование заявляемого устройства в EEPROM выполняется аналогично, но в линейном диапазоне ϕlin в пределах полного диапазона - эффективного электрического угла ϕeff=ϕlin=0...360°.
На примере характеристик датчика с AS5043 на фиг.23 и 24а показано, что детектируемый альтернативным устройством линейный диапазон может принимать значения в диапазоне 0...360°, программируемые при сборке, при выборе диапазона значений 360°/180°/90°/45°. В зависимости от фактического угла, запрограммированного в пределах 0...360° нулевого положения и нулевого смещения, передаточная характеристика AS5043 может электрически "вращаться" (см. фиг.24а).
В пределах запрограммированного углового диапазона в дальнейшем наклон характеристики AS5043 может регулироваться изменением усиления выходной усилительной ступени.
В отличие от вышеописанного альтернативного устройства аналоговый режим заявляемого устройства с MLX90316 позволяет получить выходную характеристику именно в пределах функционального или полного механического диапазона детектируемого угла (фиг.24б), формируемую по двум или нескольким точкам калибровки.
MLX90316 поддерживает двухточечную или многоточечную калибровку передаточной характеристики (фиг.24б). Для большинства автомобильных датчиков осуществления только двухточечной калибровки вполне достаточно, но возможность точной коррекции сигнала, которая в ряде случаев также может быть использована, является преимуществом заявляемого датчика.
Таким образом, высокие показатели линейности выходного сигнала (<2%) и точности (≤±0,5°) обеспечиваются в значительной степени за счет применения в устройстве на основе описанной магнитной системы высоких интегральных технологий: дифференциального принципа квадратичного массива элементов, методов устранения смещения, например "spinning current", "chopper-stabilization", вычислительных и интерфейсных возможностей энкодеров (заложенных в их теоретические принципы), программирования выходной характеристики в памяти EEPROM после полной сборки заявляемого устройства (с использованием только функциональных выводов).
Таким образом, основными отличиями заявляемого устройства от его предшественников являются:
1) ротор с магнитом и статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, предоставляющих через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом, являются двумя механически совершенно никак не взаимосвязанными и изолированными в пространстве друг от друга частями; в узлах устройства использован только минимальный набор необходимых механических компонентов (ориентирующих пазов);
2) применение в конструктивно оптимизированном для конкретных рабочих условий бесконтактном программируемом датчике магнитной системы с рабочим режимом, который реализует поворот направления магнитного вектора цилиндрического дипольного магнита в пределах детектируемого угла параллельно лицевой поверхности ИС двухосевого углового энкодера Холла (с ИМК) с адаптируемой выходной характеристикой;
3) выходная передаточная характеристика заявляемого датчика является полностью программируемой по двум или нескольким точкам калибровки в памяти EEPROM ИС с использованием только функциональных выводов после сборки всего устройства.
Именно эти отличия обеспечивают дальнейшее упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа, повышение надежности и точности измерений, линейности (абсолютных и относительных показателей линейности аналогового сигнала, дрейфа скважности сигнала или точности передаточной характеристики в абсолютном цифровом формате), улучшение повторяемости, расширение функционального диапазона и линейного участка измеряемого угла до любого значения в пределах 0...360°, увеличение чувствительности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе осуществление прямого замещения аналоговых трехпроводных и двухпроводных (ШИМ) потенциометров и классических датчиков на основе эффекта Холла, гибкую адаптацию устройства ко встраиванию в существующие автомобильные системы, а также при его использовании для внешнего (по отношению к детектируемой автомобильной системе) монтажа на торце вала, с возможностью использования различных магнитных роторов, а также реализацию функциональности устройства в условиях значительных статических и динамических системных смещений.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПРОГРАММИРУЕМЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ С ЛИНЕЙНЫМ УГЛОВЫМ ДИАПАЗОНОМ В ПРЕДЕЛАХ 360° | 2006 |
|
RU2317522C2 |
| БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ПЕДАЛИ | 2005 |
|
RU2301399C2 |
| БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ С ЛИНЕЙНЫМ УГЛОВЫМ ДИАПАЗОНОМ В ПРЕДЕЛАХ 360 ГРАДУСОВ | 2005 |
|
RU2313763C2 |
| Бесконтактный истинно двухосевой датчик угла поворота вала | 2014 |
|
RU2615612C2 |
| БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКИ | 2005 |
|
RU2298148C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЛИНЕЙНОГО ИЛИ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ИЛИ МЕХАНИЗМА ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2403204C1 |
| Абсолютный датчик угла поворота | 2023 |
|
RU2820033C1 |
| АБСОЛЮТНЫЙ ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА | 2010 |
|
RU2436037C1 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2008 |
|
RU2376239C1 |
| Мехатронный модуль воздействия на педаль управления транспортно-технологического средства | 2022 |
|
RU2792709C1 |
Изобретение относится к автомобильному электронному приборостроению. Бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в диапазоне угла ϕ=0÷360° состоит из двух механически не взаимосвязанных и изолированных друг от друга частей с постоянным воздушным зазором в пространстве между ними, одной частью является роторный узел, другая часть представляет собой статор - совокупность неподвижных механических и электронных частей, предоставляющих через контактный интерфейс информацию об угловом положении ротора с магнитом. Магнитная система датчика состоит из программируемой в EEPROM ИС двухосевого магнитного углового энкодера с линейным аналоговым, ШИМ или последовательным выходом и вращающегося цилиндрического дипольного диаметрально намагниченного магнита, взаиморасположение которых в рабочем режиме устройства обеспечивает детектирование угла поворота ϕ магнитного вектора, параллельного поверхности ИС, при этом угол ϕ вычисляется по сигналам массива планарных элементов Холла, чувствительных к перпендикулярным компонентам магнитного поля. Технический результат: высокая точность устройства в полном диапазоне ϕ=0÷360°, его технологичность и надежность. 8 з.п. ф-лы, 1 табл, 28 ил.
| US 6534971 B1, 18.03.2003 | |||
| БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ АВТОМОБИЛЯ | 2004 |
|
RU2260188C1 |
| US 6885189 В1, 26.04.2005 | |||
| US 2003141863 A1, 31.07.2003. | |||
