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简介

ADMT4000是ADI公司率先发布的单芯片多圈位置传感器，绝对测量范围为46圈，整个测量范围内达到0.25度的精度。借助于这种新的多圈技术，省去了与单圈传感器结合使用的备用电池或机械齿轮，也可以免去线性执行器中的线性传感器。此外，对于未采用传统笨重机械多圈编码器的系统，这种传感器无需在上电时重新归位或重新校准。

产品详情

ADMT4000 是一种磁转数传感器，即使在设备断电时也能够记录磁系统的旋转次数。通电时可以查询该套件，以报告系统的绝对位置。绝对位置通过串行外设接口 (SPI) 报告。ADMT4000 最多可计数 46 圈外部磁场，以顺时针 (CW) 方向递增绝对位置计数。

该套件包括三个磁传感器，一个用于计数系统旋转次数的巨磁电阻（GMR）转数计数传感器，一个 GMR 象限检测传感器和一个各向异性磁阻（AMR）角度传感器。AMR 角度传感器与 GMR 象限检测传感器结合使用，可确定系统在 360° 范围内的绝对位置。将 GMR 转数计数传感器输出与 AMR 角度传感器输出相结合，该套件就能以高角度精度报告系统的位置。

产品特性

• 真正通电多圈计数器

• 46 圈磁传感器

• ＞16k° 数字输出

• ±0.25° 精度

• 测量更新率 100 kSPS

• 16 mT 至 31 mT 操作范围

• 内部温度传感器

• IC 电源，3.3 V

• SPI 接口，1.8 V 至 5 V

• 结温范围：-40°C 至 +150°C

• 24 引脚 TSSOP

• 工业应用

应用

• 无需断电即可检测并存储旋转次数

• 非接触式绝对角位置测量

• 无刷直流电机控制和定位

• 执行器控制和定位

功能框图

解决行业痛点

位置传感器和编码器的应用无处不在，但现有解决方案提供的要么是单圈或360°位置信息，要么需要和其它传感器配合造成系统体积笨重，存在不易维修等问题。ADI发布的ADMT4000正好解决了行业痛点。

当今市场上角度传感器种类较多，如下图示例，有磁式、光学式、电感式、旋变器式等传感器。霍尔传感器基于磁效应、XMR 系列传感器有AMR、GMR和TMR传感器，他们通常对磁场方向的变化很敏感。但遗憾的是，所有这些传感器的绝对测量范围都只有单圈，即360度，AMR传感器是个例外，它的信号以180度为周期进行重复，绝对测量范围是半圈，即180度。

若客户想要进行超过一圈的绝对测量，非接触式是当前可行的实现方法。下图示例了四种解决方案，前三种是传统解决方案，第四种是受市场欢迎的简化新解决方案：

• 第一种是齿轮减速机构，它与偶极磁铁上的单圈传感器结合使用，这样即可缩小整圈计数范围。图2最左边展示的是 四到六圈的示例。根据齿轮的数量，输出端可能只需要一个传感器，但前提是要能把它缩小到一圈，也可以选择使用两个传感器和更少的齿轮机构，取决于圈数甚至可能需要更多传感器。这种方案的主要缺点是太过笨重和庞大，齿轮不断运转产生磨损可能会导致系统出现机械滞回，而且仍然需要带偶极磁铁的单圈传感器。输出只有一圈使得精度受到影响，分辨率也随之大大降低。优点是存在固有冗余，前提是使用两个单圈传感器和Nonius原理。

• 第二种方案是将备用电池、存储器与单圈传感器结合使用，存储器用来保存位置信息，单圈传感器带偶极磁铁。此方案不像齿轮箱那么大，但由于电池的原因仍然有比较大的体积，同时电池维护造成停机维修的高昂成本也使得这不是一个经济实用的方案。优点是采样准确，可以保持相当高的整体精度。

• 第三种方法是使用备用电池的替代方案，即能量收集模块Weigand传感器，它需要与单圈传感器及FRAM芯片结合使用。这个方案在稳健性方面可能会令人担忧，不过近年来利用此方案已经解决了一些问题。尺寸中等，是高精度解决方案。

• 最后一种方法是图2最右侧示例的ADMT4000，单芯片多圈角度检测IC，小巧、紧凑，消除了上述其他系统的所有缺点，具有出色的稳健性和精度。

市场应用

ADMT4000为很多工业应用带来显著价值，包括线性执行器、旋 转执行器、机器人/协作机器人/人形机器人、起重机/吊车/升降 机、汽车安全带、汽车线控转向等。

1.线性执行器

线性执行器中通常有个电机用于驱动丝杠，进而驱动模块、砖盘或X-Y工作台做直线运动。通常情况下，现行系统中需要线性位置传感器或线性传感器来跟踪模块或X-Y平台的运动，ADMT4000能够间接测量这种运动。如果知道丝杠的螺距并将ADMT4000的角度传感器和多方向传感器结合起来，就能非常精确地计算出模块沿着直线轨道移动时的线性位置。线性执行器在工业领域中的应用实例可以是用于龙门X-Y工作台、通用X-Y工作台、贴片设备等。

线性执行器的主要优点是可以省去线性传感器，简化设计，减小执行器的尺寸和重量，并降低系统总成本。

2.旋转执行器

许多旋转执行器会旋转多圈，一般是在输出侧放置一个单圈传感器，或者在输入侧放置备用电池和存储芯片来记录和监控圈数，这样当重新通电时就可以知道绝对位置。ADMT4000则是这个应用的很好示例，可以大幅简化执行器，既可以用作具有360度功能的电机换相传感器，也可以用作绝对输出角度传感器，因为始终可以知道圈数是多少，比如断电时如果旋转了23圈，就可以知道输出侧可能处于180度，这样就能获取这些信息而无需重新归位或重新校准系统。

3.机器人/协作机器人/人形机器人

机器人、协作机器人和人形机器人等系统的每个关节执行器中通常配有齿轮减速，都需要一个与前所述类似的执行器。如果这些执行器不具备多圈能力或不知道通电时的绝对位置信息， 那么就必须在通电时重新归位或重新校准这些机器人，这样给系统造成极大的不便。因此，ADMT4000不仅缩小了执行器尺寸，让终端用户能够构建更紧凑的系统，而且消除了重新归位和重新校准整个系统的麻烦。 总体而言，它为机器人、协作机器人和人形机器人制造商带来了显著的好处。

4.起重机、吊车、升降机……

在拉线编码器、起重机、吊车、升降机、卷扬机等应用中，ADMT4000同样带来了显著优势：无需通电即可测量起重机直线运动，也不需要备用电池或传动装置。可以知道通电时系统的绝对位置信息，也无需在通电时重新归位和重新校准，减少了整体停机时间，系统得到极大简化。

5.汽车安全带

ADMT4000在汽车安全带、安全带卷收器等一些汽车应用也备受关注，为安全带系统带来了额外的功能。通常将传感器放置于安全带卷收器卷轴上的偶极磁体对面，无论汽车是否通电都会记录安全带的伸长情况。这样，只要点火起动，汽车就会知道安全带的伸长情况并据此对座位上的乘客进行分类，以此进一步来确定安全气囊的展开策略。

6.汽车线控转向

线控转向系统中，方向盘和车轴之间没有机械耦合，无法再依赖转向角度传感器来获取车轮角度信息，因此需要在车轴处放入一个测量系统。可以通过沿转向齿条放置线性传感器或位置传感器来实现，也可以通过在电机轴末端安装带有单圈传感器的齿轮来实现，或者放入备用电池与单圈传感器配合使用来保存信息。ADMT4000正如大家所设想的同样能够大大简化这个系统，它可以位于电机轴的末端，在电机换相的同时提供转向角度信息因为可以知道角度信息和多圈信息。所以，在通电时就能准确地知道车轮的角度，而不需要任何额外的传感器。

磁性复位

当 ADMT4000 内部巨磁电阻（GMR）圈数计数传感器的磁畴壁分布出现异常时，需执行磁性复位操作。以下三种场景必须完成复位：

• 工厂组装阶段：ADMT4000 与应用磁铁装配至系统后，需进行首次复位。

• 过磁场暴露：传感器遭受超过BMAX的磁场环境后。

• 故障触发：当故障寄存器的 D9、D13 位任意置 1 时。

复位操作有两种方法：

1. 翻转复位法

GMR的转数传感器可以通过翻转至少46圈来重置。该方法确保注入一组新的域壁进入GMR螺旋。这与在46圈计数位置以上作不同，复位动作需要系统磁铁在连续波方向上转46圈，无论当前的圈数如何。

2. 磁场复位法

GMR的转数传感器可以通过施加大于60mT的315°磁场来重置。复位后，传感器螺旋被磁域壁填满，导致转圈计数为45圈加上复位时的角度。施加复位磁场有四种关键方法：

• 使用外部线圈在ADMT4000周围产生磁场。

• 把一个外部固定磁铁靠近ADMT4000。

• 移动系统磁铁1更靠近ADMT4000。

• 在应用PCB中嵌入平面电磁线圈。

系统或应用磁铁必须在重置前就位，以确保安装应用磁铁时GMR的回合计数传感器不会损坏。

本文档仅涵盖了嵌入式复位线圈方法。

平面嵌入式复位线圈复位方法

嵌入式复位线圈复位法，是利用集成在应用 PCB 板上的平面电磁线圈产生磁场。复位磁场（BRESET）由 PCB 板上嵌入式线圈产生的磁场（BCOIL）与应用磁铁产生的磁场（BAPP）共同叠加而成。该方案支持在应用系统内部直接完成 GMR 传感器的复位流程。

应用磁铁产生的磁场（B_APP）需对准 315° 方向，系统磁铁存在一个以 315° 为中心的角度区间，在此区间内均可触发复位操作。复位有效角度区间的大小取决于以下三个因素：

• 线圈磁场强度（B_COIL）

• 应用磁铁磁场强度（B_APP）

• GMR 圈数计数传感器的工作温度

强烈建议用户对最终系统的温度进行表征，以确定系统磁铁的允许方向范围。

嵌入式复位线圈

嵌入的复位线圈必须朝向，如下图所示，使得在被电流脉冲激发时产生315°方向的磁场。线圈图纸可在产品网页上以dxf格式获取。

• 线圈必须在ADMT4000下方的PCB层铺设2盎司铜线。

• 嵌入复位线圈的中心必须与ADMT4000封装中GMR转次数传感器的中心对齐。

• 线圈的方向必须相匹配，如图所示。

嵌入复位线圈的位置和ADMT4000

嵌入式复位线圈脉冲发生器
下图展示了典型的电路，用于产生电流脉冲以激发嵌入的复位线圈（L2）。升压直流-直流转换器VR1用于提升供电电压V。DD（3.3V）用来给初级放电电容C5充电。当C5充满电荷时，MOSFET Q1可以通过L2放电。以最小V产生所需的电流脉冲出去放电电路的串联电阻必须最小化电压。用户必须注意以下内容：

• 线圈 L2 的制作需严格遵循前文 “嵌入式复位线圈” 部分的设计规范

• 电容 C5 需选用低等效串联电阻（ESR）型号，本示例中 C5 的 ESR 值为 22 毫欧

• MOS 管 Q1 需选用低导通电阻（RON）型号；本示例中驱动芯片 U1 的作用有两点：

• 将 3.3V 逻辑电平（COIL_RS）升压至 5V

• 输出快速上升沿信号，驱动 MOS 管 Q1 快速导通

为了全面表征电路，可以通过差分探头（例如Tektronik P6247）监测直列电阻上的电压，测量L2的电流，如图4所示。图中的品红色痕迹显示了由28V电压脉冲产生的电流脉冲（229A峰值）。修改V字出去通过改变由R2和R3形成的电阻分压器。更多细节请参阅LT3467数据表。在标准四层PCB上，线圈在GMR圈数传感器处产生的磁场传递函数为0.44mT/A。

典型复位脉冲，

黄色：Q1

漏极端电压 绿色：Q1栅极电压

蓝色：Q1源端电压

品红色：线圈L2的电流脉冲

嵌入式复位线圈脉冲发生电路

关键词： ADI ADMT4000 多圈计数器 位置传感器 磁转数