RU2313763C2 - Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees - Google Patents
Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees Download PDFInfo
- Publication number
- RU2313763C2 RU2313763C2 RU2005130846/28A RU2005130846A RU2313763C2 RU 2313763 C2 RU2313763 C2 RU 2313763C2 RU 2005130846/28 A RU2005130846/28 A RU 2005130846/28A RU 2005130846 A RU2005130846 A RU 2005130846A RU 2313763 C2 RU2313763 C2 RU 2313763C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- rotor
- magnet
- hall
- angle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
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, в других автомобильных системах, требующих получения аналогового или ШИМ-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.The invention relates to automotive electronic instrumentation and can be directly used in electronic vehicle control systems to determine the opening angle of the throttle, the degree of depressing the accelerator pedal, the position of the exhaust gas recirculation valve, in other automotive systems requiring an analog or PWM signal about the absolute angular position rotating object (shaft), as well as for non-contact detection of the absolute angular position of a large number of rotate REGARD objects in many other branches of light and heavy industry.
Аналогом заявляемого датчика является датчик положения педали акселератора (United States Patent 4915075 от 10 апреля 1990 года).An analogue of the claimed sensor is an accelerator pedal position sensor (United States Patent 4915075 dated April 10, 1990).
Устройство описывает установленные в педаль потенциометр и плату со схемой формирования ШИМ-сигнала, с выходным рабочим циклом, пропорциональным положению педали.The device describes a potentiometer and a board installed in the pedal with a circuit for generating a PWM signal, with an output duty cycle proportional to the position of the pedal.
К недостаткам данного устройства относятся подверженность износу, характерная для потенциометров, малый срок службы, невысокая надежность, чувствительность к вибрации и пыли.The disadvantages of this device include the susceptibility to wear, characteristic of potentiometers, a short service life, low reliability, sensitivity to vibration and dust.
Аналогом заявляемого устройства является датчик углового положения с устройством Холла и постоянным магнитом заданной формы (United States Patents 5159268 от 27 октября 1992 года).An analogue of the claimed device is an angular position sensor with a Hall device and a permanent magnet of a given shape (United States Patents 5159268 dated October 27, 1992).
Устройство описывает два предпочтительных варианта формы магнита - продолговатой и колоколообразной формы, позволяющие добиться высокой линейности при его вращении.The device describes two preferred options for the shape of the magnet - oblong and bell-shaped, allowing to achieve high linearity during its rotation.
Недостатком данного устройства является сложность магнитной системы, необходимость использования магнитов специальной формы и применения расчетных математических методов.The disadvantage of this device is the complexity of the magnetic system, the need to use magnets of a special shape and the application of calculated mathematical methods.
Аналогом заявляемого устройства является магнитный датчик углового положения с улучшенной выходной линейностью (United States Patents 5444369 от 22 августа 1995 года).An analogue of the claimed device is a magnetic angle sensor with improved output linearity (United States Patents 5444369 dated August 22, 1995).
Устройство использует массивные стационарные аксиальные магнитопроводы и вращающийся магнитопровод, к которому прикреплены один или более магнитов.The device uses massive stationary axial magnetic circuits and a rotating magnetic circuit to which one or more magnets are attached.
К недостаткам данного устройства относятся громоздкость, конструктивная сложность, применение как расчетных методов, так и настройки и регулировки устройства, отсутствие адаптированности к специальным требованиям, предъявляемым к механике автомобильных датчиков, работающих в ограниченном диапазоне угла поворота.The disadvantages of this device include bulkiness, structural complexity, the use of both calculation methods and device settings and adjustments, the lack of adaptation to the special requirements for the mechanics of automotive sensors operating in a limited range of rotation angles.
Аналогом заявляемого устройства является датчик положения педали с магнитом, движущимся относительно датчика магнитного поля, локализованного в статорном канале (United States Patents 6577119 от 10 июня 2003 года).An analogue of the claimed device is a pedal position sensor with a magnet moving relative to a magnetic field sensor located in the stator channel (United States Patents 6577119 dated June 10, 2003).
Устройство описывает бесконтактный датчик положения, в котором статор имеет поверхность, включающую 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, и обрабатывается в интегрированных схемах датчиков одной или двумя внешними 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.The device describes a non-contact position sensor, in which the stator has a surface including two regions of magnetic material, the magnet is mechanically connected to the accelerator foot pedal, the relative movement of which along one or two Hall sensors in the stator channel causes the formation of an electrical signal proportional to the magnet’s movement, and is processed in integrated sensor circuits with one or two external ASICs (Application Specific Integrated Circuit) with programming capabilities, for example in EEPROM, linear output hara characteristics and temperature compensation, as well as the formation of a signal for transmission over a serial protocol, such as CAN bus.
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.The disadvantage of this device is the complexity of the described magnetic system, the need to use two Hall sensors to improve measurement accuracy, one or two external interface ASICs to implement the required interface.
Прототипом заявляемого датчика является измерительное устройство для бесконтактного определения угла вращения (United States Patent 6534971 от 18 марта 2003 г.).The prototype of the proposed sensor is a measuring device for non-contact determination of the angle of rotation (United States Patent 6534971 dated March 18, 2003).
Данное устройство включает ротор, на котором расположен постоянный магнит, имеющий диаметральное направление намагниченности, и 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.This device includes a rotor, on which is located a permanent magnet having a diametrical direction of magnetization, and a Hall element located asymmetrically and describing the elliptical rotational movement of the permanent magnet. However, no magnetic flux concentrators are used in this design. The indicated magnetic system makes it possible to obtain an output characteristic region with a steep lowering region and characteristic flat regions.
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 до 100...120° и более, до 360° или, для некоторых типов устройств, даже углы в несколько полных оборотов), присутствие плоского участка кривой, недостаточная линейность характеристики в полном рабочем диапазоне.The disadvantage of this device is the narrowing of the range of the measured angle due to insufficient uniformity of the output characteristic (the description of the invention indicates the angular region of linearity to 80 °, while in many cases for the effective operation of the sensor it is necessary to measure angles of 100 ... 120 ° or more, up to 360 ° or, for some types of devices, even angles of several full revolutions), the presence of a flat portion of the curve, insufficient linearity of the characteristic in the full operating range.
В устройстве отсутствуют специальные схемотехнические и механические средства адаптации к конкретным условиям работы датчика.The device lacks special circuitry and mechanical means of adaptation to the specific operating conditions of the sensor.
Обычные линейные датчики Холла, используемые в конструкции прототипа, имеют достаточно много недостатков: низкая чувствительность, дрейфы чувствительности, смещения и значительная нелинейность.Conventional linear Hall sensors used in the design of the prototype have many disadvantages: low sensitivity, drift of sensitivity, displacement and significant non-linearity.
Задачи изобретения - повышение точности и повторяемости измерений, увеличение чувствительности, расширение функционального диапазона и линейного участка измеряемого угла до 360°, улучшение абсолютных и относительных показателей линейности сигнала абсолютного положения (линейности аналогового сигнала или дрейфа скважности ШИМ-сигнала), повышение надежности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе - прямое замещение аналоговых трехпроводных и двухпроводных (ШИМ) потенциометров, упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа.The objectives of the invention are improving the accuracy and repeatability of measurements, increasing sensitivity, expanding the functional range and linear portion of the measured angle to 360 °, improving the absolute and relative linearity of the signal of the absolute position (linearity of the analog signal or drift of the duty cycle of the PWM signal), improving reliability, developing adaptive signs to specific working conditions, including direct substitution of analog three-wire and two-wire (PWM) potentiometers, simplification of design devices and technologies for its assembly and installation.
Поставленные задачи решаются тем, что в бесконтактном датчике углового положения, включающем ротор с магнитом, движущимся относительно статора с датчиком магнитного поля, статор представляет собой программируемую интегральную схему (ИС) двухосевого магнитного углового энкодера с ЦОС на основе функции арктангенса (обычно с применением CORDIC-алгоритма), аналоговым или ШИМ-интерфейсом и интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов Холла, детектирующих градиент рабочего магнитного поля, перпендикулярного лицевой поверхности ИС, запаиваемой способом поверхностного монтажа на печатной плате, ротор датчика, механически связанный с вращающимся валом детектируемого объекта, включает образующий рабочее магнитное поле диаметрально намагниченный цилиндрический постоянный магнит, легкая ось и цилиндрическое основание которого параллельны лицевой поверхности ИС, для выравнивания в процессе сборки жестко установленный во втулке с пазами под отвертку, жестко устанавливаемой по результатам выравнивания магнита в установочной втулке ротора с выполненной в ней ориентирующей лыской или ориентирующим пазом для установки на вал с заданной начальной ориентацией и имеющей возможность поворота в корпусе на угол, ограниченный на крайних положениях упорами в основании корпуса и выступами установочной втулки ротора, для механической изоляции статора от движущихся механических частей и ограничения осевых перемещений ротора, в датчике содержится внутренняя крышка - ограничитель, жестко фиксируемая в корпусе поверх ротора, угловой энкодер Холла допускает программирование после сборки датчика параметров его аналоговой или ШИМ выходной характеристики, нулевого положения, детектирование горизонтальных смещений магнита и его перемещений в вертикальной оси, выходной разъем корпуса датчика содержит только функциональные выводы, используемые в процессе эксплуатации датчика после его программирования, а технологические выводы и/или проводной шлейф вспомогательного технологического разъема, используемые только в процессе однократного программирования, удаляются с платы датчика перед окончательной установкой верхней крышки.The tasks are solved in that in a non-contact angle encoder including a rotor with a magnet moving relative to the stator with a magnetic field sensor, the stator is a programmable integrated circuit (IC) of a two-axis magnetic angular encoder with DSP based on the arctangent function (usually using CORDIC- algorithm), an analog or PWM interface, and an integrated cruciform array of Hall sensitive elements detecting the gradient of the working magnetic field perpendicular to the front face The surface of an IC sealed by surface mounting on a printed circuit board, the sensor rotor mechanically connected with the rotating shaft of the detected object, includes a diametrically magnetized cylindrical permanent magnet forming a working magnetic field, the light axis and the cylindrical base of which are parallel to the front surface of the IC, for alignment during assembly installed in a sleeve with grooves for a screwdriver, rigidly installed according to the results of alignment of the magnet in the mounting sleeve of the rotor with orienting flat or orienting groove for mounting on a shaft with a given initial orientation and having the ability to rotate in the housing at an angle limited at the extreme positions by stops in the base of the housing and the protrusions of the mounting sleeve of the rotor, for mechanical isolation of the stator from moving mechanical parts and limiting axial movements of the rotor , the sensor contains an inner cover - a limiter rigidly fixed in the housing on top of the rotor, the angular Hall encoder allows programming after assembly of the steam sensor meters of its analog or PWM output characteristic, zero position, detection of horizontal displacements of the magnet and its displacements in the vertical axis, the output connector of the sensor housing contains only the functional conclusions used in the process of operating the sensor after programming, and the technological conclusions and / or cable of the auxiliary technological connectors used only during a one-time programming process are removed from the sensor board before final installation of the top cover.
Для обеспечения основного вращения ротора (по часовой стрелке), возвратного движения (против часовой стрелки) в пределах измеряемого угла и для повышения надежности в устройство вводится цилиндрическая или коническая возвратная пружина кручения, противодействующая вращательному движению вала управляющего привода.To ensure the main rotation of the rotor (clockwise), return movement (counterclockwise) within the measured angle and to increase reliability, a cylindrical or conical torsion return spring is introduced into the device, which counteracts the rotational movement of the control drive shaft.
Общая схема устройства, расположенная на плате датчика, содержит схемы защиты от обратного напряжения, перенапряжения, короткого замыкания выхода, импульсных помех по цепи питания и выхода.The general circuit of the device, located on the sensor board, contains circuits for protection against reverse voltage, overvoltage, output short circuit, impulse noise along the power supply and output circuits.
Бесконтактный датчик углового положения с линейным угловым диапазоном в пределах 360° показан на фиг.1-23.A non-contact angle encoder with a linear angular range within 360 ° is shown in FIGS. 1-23.
На фиг.1-4 показана конструкция аналогового бесконтактного датчика положения дроссельной заслонки, на фиг.5-8 показана конструкция аналогового бесконтактного датчика положения педали акселератора. На фиг.1 и 5 показаны проекционные виды и общий аксонометрический вид устройств, на фиг.2 и 6 показаны виды датчиков в разрезе, иллюстрирующие их принципы действия, на фиг.3 и 7 показаны виды устройств с ограничителем осевых перемещений без верхней крышки, на фиг.4 и 8 показаны виды устройств с механически определяемыми границами измеряемого угла.Figure 1-4 shows the design of an analog non-contact throttle position sensor, figure 5-8 shows the design of an analog non-contact accelerator pedal position sensor. Figures 1 and 5 show projection views and a general axonometric view of the devices; Figures 2 and 6 show sectional views of sensors illustrating their principles of operation; Figures 3 and 7 show views of devices with an axial displacement limiter without a top cover; Figures 4 and 8 show views of devices with mechanically determined boundaries of the measured angle.
На фиг.9 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства с 10-битной ИС двухосевого магнитного углового энкодера AS5043 Austriamicrosystems, на фиг.10 приведена функциональная схема ИС AS5043 Austriamicrosystems, на фиг.11 дана иллюстрация рабочего принципа 10-битного двухосевого магнитного углового энкодера. На фиг.12 показан первичный этап формирования сигналов массива элементов Холла в ИС энкодера, на фиг.13-16 показаны выходные интерфейсы, поддерживаемые AS5043, - последовательный SSI (фиг.13) и аналоговые выходные режимы (фиг.14). ШИМ-интерфейс AS5040 (фиг.15), возможные примеры аналоговых выходных режимов заявляемого устройства (фиг.16). На фиг.17 и 18 показаны программирование датчику этап записи данных (фиг.17) и режим однократного программирования (фиг.18). На фиг.19-22 показаны первичный этап формирования передаточной характеристики (фиг.19) и типичные программируемые выходные характеристики классического датчика Холла (фиг.20-22). На фиг.23 показаны аналоговые выходные режимы заявляемого датчика в сравнении с классическими исполнениями датчиков Холла.Figure 9 is a schematic electrical diagram of the inventive device with a 10-bit IC of a two-axis magnetic angular encoder AS5043 Austriamicrosystems, Figure 10 is a functional diagram of an AS5043 Austriamicrosystems IC, figure 11 is an illustration of the operating principle of a 10-bit two-axis magnetic angular encoder. On Fig shows the primary stage of generating signals of an array of Hall elements in the encoder IC, on Fig.13-16 shows the output interfaces supported by AS5043, serial SSI (Fig.13) and analog output modes (Fig.14). PWM interface AS5040 (Fig. 15), possible examples of analog output modes of the inventive device (Fig. 16). On Fig and 18 shows the programming of the sensor stage of recording data (Fig) and the mode of one-time programming (Fig). On Fig.19-22 shows the primary stage of the formation of the transfer characteristics (Fig.19) and typical programmable output characteristics of the classic Hall sensor (Fig.20-22). On Fig shows the analog output modes of the inventive sensor in comparison with the classic versions of the Hall sensors.
В таблице приведены технические характеристики других подходящих для описанной выше конструкции датчика известных интегральных компонентов в качестве альтернативной замены, поддерживающих аналоговый или ШИМ-интерфейс.The table shows the technical characteristics of other known integrated components suitable for the sensor design described above as an alternative replacement, supporting an analog or PWM interface.
Конструкции датчиков углового положения, показанные на фиг.1-8, во многом сходны.The designs of the angular position sensors shown in FIGS. 1-8 are very similar.
Датчик положения дроссельной заслонки, показанный на фиг.1-4, реализует рабочий режим с вращением дипольного магнита в ограниченном угловом диапазоне механического угла φ=120° и сканирует двумерное распределение магнитного поля с образованием выходного аналогового сигнала (для совместимости с большинством существующих обрабатывающих блоков) и последовательного SSI-канала передачи данных, используемого при его однократном программировании.The throttle position sensor shown in figures 1-4, implements the operating mode with the rotation of the dipole magnet in a limited angular range of the mechanical angle φ = 120 ° and scans the two-dimensional distribution of the magnetic field with the formation of the output analog signal (for compatibility with most existing processing units) and a serial SSI data channel used when programming it once.
Датчик положения дроссельной заслонки, показанный на фиг.1-4, состоит из неподвижного корпуса 1 статора, установочной втулки 2 ротора, включающего также диаметрально намагниченный цилиндрический постоянный магнит 3, запрессованный в пластмассовую регулировочную втулку - корпус 4, крышки 5 - ограничителя осевых биений роторного узла, закрепляемой на винтах 11, печатной платы 6, ИС двухосевого углового энкодера с интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов Холла 7, контактов разъема 8, крышки датчика 9 и пружины кручения 10.The throttle position sensor shown in Figs. 1-4 consists of a
Датчик положения педали акселератора, показанный на фиг.5-8, состоит из неподвижного корпуса 1, вращающейся установочной втулки 2 ротора с диаметрально намагниченным постоянным магнитом 3, запрессованным в пластмассовую втулку 4, крышки 5 - ограничителя осевых биений роторного узла, закрепляемой на винтах 11, печатной платы 6, ИС двухосевого углового энкодера с интегрированным крестообразным массивом чувствительных элементов Холла 7, контактов разъема 8 и крышки 9.The accelerator pedal position sensor shown in FIGS. 5-8 consists of a
Основные элементы статора датчика включают корпус 1 и интегральный компонент датчика - ИС 7 (а также все остальные элементы, не входящие в состав ротора, относятся к статору), ротор (подвижная часть датчика), выполняемый на основе деталей, жестко связанных между собой, включает установочную втулку 2, диаметрально намагниченный постоянный магнит 3, запрессованный во втулку 4.The main elements of the sensor stator include the
Большинство новых модулей педали акселератора снабжается парой внешних пружин на педальном приводе модуля, на встраивание в который рассчитан датчик. Поскольку предполагается внешнее ограничение крутящего момента, в конструкции датчика, показанного на фиг.5-8, не задействована пружина кручения, которая необходима в датчике положения дроссельной заслонки, показанном на фиг.1-4 или другом аналогичном устройстве без внешнего ограничения крутящего момента.Most of the new accelerator pedal modules are equipped with a pair of external springs on the module pedal drive, for incorporation into which the sensor is designed. Since external torque limitation is assumed, the torsion spring, which is necessary in the throttle position sensor shown in Figs. 1-4 or other similar device without external torque limitation, is not involved in the design of the sensor shown in FIGS. 5-8.
В обеих конструкциях, датчика положения дроссельной заслонки (фиг.1-4) и датчика положения педали (фиг.5-8), установочная втулка 2 ротора механически связана с вращающимся валом детектируемого объекта (цели) и имеет возможность поворота на ограниченный угол φ в основании корпуса 1. С обратной стороны установочной втулки 2 ротора имеются лыска или ориентирующие пазы для установки устройства на вал с заданной начальной ориентацией. Корпус 1 жестко крепится двумя винтами к неподвижной части объекта.In both designs, the throttle position sensor (Figs. 1–4) and the pedal position sensor (Figs. 5–8), the
Корпус 1 выполняется в сборке с контактами разъема 8 (по технологии обливки или запрессовки). ИС Холла - двухосевой магнитный угловой энкодер 7 устанавливается на плате 6 и запаивается. Плата 6 устанавливается в корпусе 1 поверх упорных штырей днища корпуса 1, верхняя часть которых оплавляется. Предпочтительная механическая ориентация датчика 7 относительно магнита 3 обеспечивается конструктивно. Контакты 8 запаиваются на плате 6.The
Для механического ограничения осевых перемещений ротора в корпусе 1 вводится крышка 5 - ограничитель осевых биений ротора, фиксируемая поверх ротора в корпусе 1 винтами 11. Угол φ механически ограничивается упорами 12 в основании корпуса 1 статора и выступами 13 ротора.To mechanically limit the axial displacements of the rotor in the
Постоянный магнит 3 жестко устанавливается (запрессовывается и вклеивается) во втулке 4. Втулка 4 снабжается пазом под отвертку, что обеспечивает несколько полезных признаков конструкции:The
1) возможность предварительной ориентации нулевой плоскости симметрия магнита 3 по пазу для отвертки непосредственно перед его жесткой установкой (по результатам измерений магнитного поля, например, тесламетром, гауссметром, калиброванной линейной ИС Холла, или с помощью специальных аппаратно-программных средств);1) the possibility of preliminary orientation of the zero plane of the
2) возможность выравнивания нулевого положения магнита 3 в процессе сборки;2) the ability to align the zero position of the
3) увеличение рабочей зоны выравнивания с малым магнитом 3 (позволяет увеличивать паз под отвертку в крышке - ограничителе 5);3) increase the working area of alignment with a small magnet 3 (allows you to increase the groove for a screwdriver in the cover - stop 5);
4) допускается использование меньших рабочих зазоров между магнитом 3 и ИС 7.4) it is allowed to use smaller working gaps between the
Начальное размещение магнита 3 в конструкциях, показанных на фиг.1-8, не является важным: за нулевое (с нулевым значением магнитной индукции ноля) может быть принято любое механическое положение магнита, информация о котором считается в ОТР-регистр с SSI-канала (фиг.13) передачи данных ИС, например семейства AS504x Austriamicrosystems. Например, в конструкциях на фиг.1-8 пулевой магнитный вектор совпадает с нулевым вектором отсчета эффективного электрического угла (принцип действия датчика показан на фиг.11-12, выходные интерфейсы - на фиг.13-16), в отличие от классических датчиков Холла перпендикулярных полей, рабочий принцип формирования передаточной характеристики которых показан на фиг.19-22. Выравнивание магнита 3 относительно ИС 7 может обеспечиваться в процессе сборки, но результатам выравнивания магнит 3 в корпусе 4 заклеивается в установочной втулке 2 ротора.The initial placement of
3-контактный выходной разъем датчика углового положения с AS5043 - принциниальная электрическая схема которого показана на фиг.9, предназначен для формирования аналогового канала передачи данных, показанных на фиг.14, 16. Выводы MagRngn. Mode, PROG и другие, объединенные в разъем Х2, являются технологическими и используются только в процессе программирования ИС, этапы которого показаны на фиг.17 и 18. После записи данных в ОТР-регистр, непосредственно перед установкой крышки 9 проводные выводы, технологические перемычки и (или) разъем Х2 удаляются с платы 6.3-pin output connector of the angle sensor with AS5043 - the principal circuit diagram of which is shown in Fig. 9, is intended to form the analog data channel shown in Figs. 14, 16. MagRngn conclusions. Mode, PROG and others, combined in connector X2, are technological and are used only in the process of programming the IC, the steps of which are shown in Figs. 17 and 18. After writing the data to the OTP register, immediately before installing the
10-битный программируемый магнитный угловой энкодер AS5043 является одним их наиболее предпочтительных вариантов из существующей элементной базы двухосевых угловых энкодеров, поддерживающих аналоговый или ШИМ-интерфейс, текущее состояние которой отражено в таблице.The AS5043 10-bit programmable magnetic angle encoder is one of the most preferable options from the existing element base of two-axis angle encoders supporting an analog or PWM interface, the current state of which is shown in the table.
Функциональная схема AS5043 показана на фиг.10.Functional diagram of AS5043 is shown in FIG. 10.
Все этапы обработки сигнала в ИС энкодеров AS5043 выполняются интегрирование, ИС-магнитный угловой энкодер Холла с интегрированным крестообразным массивом элементов Холла со специальным методом устранения смещения, известным как «spinning current», производит электрическое отображение магнитного поля, перпендикулярного поверхности ИС. На основе четырех первичных аналоговых рабочих сигналов, пропорциональных перпендикулярным компонентам магнитного поля, формируются два синусно-косинусных сигнала, являющихся функциями угла поворота вектора параллельного магнитного поля. Сигма-дельта АЦП и блок ЦОС обеспечивают высокоточный расчет углового положения магнита относительно ИС (угла поворота магнитного вектора, параллельного поверхности ИС), с применением функции арктангенса и алгоритма CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer), а также величин сигналов элементов Холла. CORDIC-алгоритм используется в ЦОС ИС энкодеров для вычисления величин сигналов элементов Холла и абсолютного значения угла φ и представляет собой именно итеративный метод для вычисления арктангенса. Затем полученное цифровое значение переводится в аналоговый или ШИМ-сигнал.All stages of the signal processing in the AS5043 encoder IC are integrated, the IP magnetic angular Hall encoder with an integrated cross-shaped array of Hall elements with a special method of eliminating bias, known as the “spinning current”, produces an electrical image of the magnetic field perpendicular to the surface of the IC. Based on four primary analogue working signals proportional to the perpendicular components of the magnetic field, two sine-cosine signals are formed, which are functions of the angle of rotation of the vector of the parallel magnetic field. The Sigma-Delta ADC and DSP unit provide high-precision calculation of the angular position of the magnet relative to the IC (the angle of rotation of the magnetic vector parallel to the surface of the IC), using the arc tangent function and the CORDIC algorithm (Coordinate Rotation Digital Computer), as well as the values of the signals of the Hall elements. The CORDIC algorithm is used in the DSP of the encoder ICs to calculate the values of the signals of the Hall elements and the absolute value of the angle φ and is an iterative method for calculating the arctangent. Then the obtained digital value is converted into an analog or PWM signal.
AS5043 характеризуется возможностью однократного программирования пользователем параметров выходных характеристик датчика непосредственно в рабочих условиях.AS5043 is characterized by the possibility of a single programming by the user of the parameters of the output characteristics of the sensor directly under operating conditions.
После включения программирование AS5043 допускается нарастающим фронтом импульса CSn, при высоком уровне на входе Prog. 16-битная конфигурация данных должна быть последовательно записана в ОТР-регистр через вывод Prog. Последовательность битов включает: первый - бит направления вращения CCW, 10 битов данных о нулевом положении магнита Z [9:0] (первым идет наиболее значащий бит MSB) и настройки аналоговых режимов: FB_ext EN - настройка операционного усилителя (внешний или внутренний), RefExtEN - опорное напряжение ЦАП, ClampMd EN - режим (0=0-100%, 1=5-95% VDD), выбор режима Output Range (OR0, OR1): [1:0] 00=360°, 01=180°, 10=90°, 11=45° (фиг.17).After switching on, programming of the AS5043 is allowed by the rising edge of the CSn pulse, with a high level at the Prog input. The 16-bit data configuration must be sequentially written to the OTP register via the Prog pin. The bit sequence includes: the first is the CCW rotation direction bit, 10 bits of information on the zero position of the magnet Z [9: 0] (the first is the most significant bit of the MSB) and analog mode settings: FB_ext EN - setting the operational amplifier (external or internal), RefExtEN - DAC reference voltage, ClampMd EN - mode (0 = 0-100%, 1 = 5-95% V DD ), selection of the Output Range mode (OR0, OR1): [1: 0] 00 = 360 °, 01 = 180 °, 10 = 90 °, 11 = 45 ° (Fig. 17).
Важной особенностью AS5043 является то, что аналоговый выход может быть сконфигурирован различно: на работу в диапазонах угла 360°/180°/90° или 45° (точный тюнинг углового диапазона и регулировка наклона кривой могут быть выполнены настройкой выходной ступени ОРАМР), с внешним или внутренним опорным напряжением ЦАП, диапазоны выходного напряжения 0-100% VDD или 5-95% VDD, внешнее или внутреннее усиление.An important feature of the AS5043 is that the analog output can be configured differently: to work in the angle ranges of 360 ° / 180 ° / 90 ° or 45 ° (precise tuning of the angular range and adjustment of the slope of the curve can be performed by adjusting the output stage OPAMP), with an external or internal DAC voltage reference, output voltage ranges 0-100% V DD or 5-95% V DD , external or internal gain.
После записи данных в ОТР-регистр данные могут быть защелкнуты нарастающим фронтом импульса на выводе Prog напряжения программирования UProg 16 импульсов CLK tzapp должны быть переданы для безопасности (фиг.18). Запрограммированные данные вступают в силу при следующем включении.After writing the data to the OTP register, the data can be latched by the rising edge of the pulse at the output Prog of the
Для программирования нулевого положения магнит должен быть помещен в нулевое механическое положение системы.To program the zero position, the magnet must be placed in the zero mechanical position of the system.
Угловое положение, вычисляемое крестообразным массивом элементов Холла ИС, может быть промоделировано какThe angular position calculated by the cross-shaped array of IS Hall elements can be modeled as
где Y1 и Y2, X1 и Х2 - сигналы элементов Холла. Нулевому углу φ будет соответствовать нулевой магнитный вектор при Y1 и Y2, равных 0. Фактическая ориентация нулевой плоскости магнитной симметрии в корпусе датчика не учитывается. Механическое нулевое положение прочитывается через SSI-интерфейс ИС и назначается как новое нулевое положение, которое может быть запрограммировано в ОТР-регистр. Изменением значения нулевого положения в ОТР регистре можно добиться согласования выхода с данным механическим положением.where Y1 and Y2, X1 and X2 are the signals of the Hall elements. The zero angle φ will correspond to a zero magnetic vector with Y1 and Y2 equal to 0. The actual orientation of the zero plane of magnetic symmetry in the sensor case is not taken into account. The mechanical zero position is read through the SSI interface of the IC and assigned as a new zero position, which can be programmed into the OTP register. By changing the value of the zero position in the OTP register, it is possible to achieve coordination of the output with this mechanical position.
В обычном режиме работы вывод AS5043 MagRngn является индикатором напряженности магнитного поля - выход с открытым коллектором низкого уровня индицирует выход магнитного поля из рекомендуемого диапазона ±(45...75 мТл). ИС будет все еще продолжать работать, но с ухудшенными характеристиками: данные будут доступны через SSI-интерфейс (фиг.13), но состояние низкого уровня MagRngn соответствует нулевым значениям аналоговых выходов AS5043.In normal operation, the AS5043 MagRngn output is an indicator of the magnetic field strength - the output with an open collector of low level indicates the output of the magnetic field from the recommended range of ± (45 ... 75 mT). The IC will still continue to work, but with poor performance: the data will be available through the SSI interface (Fig.13), but the low level status of MagRngn corresponds to the zero values of the analog outputs of AS5043.
Режим выравнивания AS5043 (или других ИС семейства AS504x: 10-битной AS5040. 12-битной AS5045) предназначен для центрирования магнита относительно ИС с целью достижения максимальной точности. Режим выравнивания в AS504x разрешается на падающем фронте импульсного вывода CSn при состоянии высокого уровня на выводе PROG. Биты данных SSI изменяются на значение выхода амплитуды смещения. Магнит выровнен, когда это значение является менее 32 на всех углах поворота рабочего углового диапазона (до 360°). Чем больше полученное значение, тем дальше находится магнит от его предпочтительного положения на конкретном угле поворота.Alignment mode AS5043 (or other AS504x family ICs: 10-bit AS5040. 12-bit AS5045) is designed to center the magnet relative to the ICs in order to achieve maximum accuracy. The alignment mode in the AS504x is enabled on the falling edge of the pulse output CSn in the high level state on the PROG pin. The SSI data bits are changed to the offset amplitude output value. The magnet is aligned when this value is less than 32 at all angles of rotation of the working angular range (up to 360 °). The larger the value obtained, the farther the magnet is from its preferred position at a particular angle of rotation.
В режиме выравнивания AS504x биты MagINCn и MagDECn индицируют логическую единицу при значении амплитуды смещения менее 32.In AS504x alignment mode, the MagINCn and MagDECn bits indicate a logical unit with an offset amplitude of less than 32.
В нормальный режим работы ИС семейства AS504x возвращается при повторной инициализации.The AS504x family of ICs returns to normal operation mode upon reinitialization.
Специальное внимание уделяется вопросу выбора магнитов: магниты должны быть цилиндрической формы, диаметрально намагниченные. Austriamicrosystems рекомендует использовать с AS504x магнит ⌀6×3 (предпочтительно) из магнитных материалов любого из следующих типов: AlNiCo, SmCo5 или NdFeB. Магнитное поле, перпендикулярное поверхности сенсорного массива, в радиусе 1,1 мм должно составлять ±45...75 мТл, и его выход за эти пределы индицируется битами MagINCn и MagDECn. С магнитом ⌀6×3 рекомендуемое рабочее магнитное поле достигается на расстоянии 0,5...1,5 мм до поверхности ИС (плюс 0,576 мм до поверхности чувствительного массива). Компания Austriamicrosystems рекомендует также для своих датчиков AS5040/3/5 использовать специальные магниты ⌀6×2,5 BMN-35H Bomatec из материала NdFeB намагниченностью порядка 1,2 мТл.Special attention is paid to the choice of magnets: magnets should be cylindrical in shape, diametrically magnetized. Austriamicrosystems recommends using a ⌀6 × 3 (preferably) magnet of any of the following types of magnet with AS504x: AlNiCo, SmCo5 or NdFeB. The magnetic field perpendicular to the surface of the sensor array, within a radius of 1.1 mm, should be ± 45 ... 75 mT, and its going beyond these limits is indicated by the MagINCn and MagDECn bits. With a ⌀6 × 3 magnet, the recommended working magnetic field is achieved at a distance of 0.5 ... 1.5 mm to the surface of the IC (plus 0.576 mm to the surface of the sensitive array). Austriamicrosystems also recommends the use of special ⌀6 × 2.5 BMN-35H Bomatec magnets made of NdFeB material with magnetization of the order of 1.2 mT for their AS5040 / 3/5 sensors.
Специальные возможности AS5043 обеспечиваются конфигурированием статуса входного вывода MODE. Абсолютное угловое положение оценивается со скоростью 10,4 кГц (0,1 мс) в быстром режиме (рекомендуется для полного диапазона 360°) или со скоростью 2,6 кГц (0,38 мс) в медленном (высокоточном и для углов ≤360°) режиме. В зависимости от состояния входа режима активируется или деактивируется внутренний фильтр, что используется для снижения цифрового джиттера и аналоговых выходных шумов.Accessibility features of the AS5043 are provided by configuring the status of the MODE input pin. The absolute angular position is estimated at a speed of 10.4 kHz (0.1 ms) in fast mode (recommended for the full range of 360 °) or at a speed of 2.6 kHz (0.38 ms) in slow (high-precision and for angles ≤360 ° ) mode. Depending on the state of the mode input, the internal filter is activated or deactivated, which is used to reduce digital jitter and analog output noise.
Дополнительный признак безопасности AS5043 - ИС обеспечивает предупреждение в случае снижения питания.An additional safety feature of AS5043 - the IC provides a warning in the event of a power failure.
Альтернативная элементная база ИС для конструкций данного типа - магнитные угловые энкодеры с линейным аналоговым или ШИМ-выходом, рассчитанные на программирование только в заводских условиях (ИС АМ512 RLS) или применяющие специальное конфигурирование выходов (iC-MA iC-Haus).An alternative IC element base for structures of this type is magnetic angle encoders with linear analog or PWM output, designed for programming only in the factory (AM512 RLS ICs) or using special output configuration (iC-MA iC-Haus).
Например, для программируемой в заводских условиях АМ512 рекомендуемые размеры магнита ⌀4×4 мм Sm2Co17, с остаточной намагниченностью порядка 1050 мТл; типичное расстояние от поверхности магнита до поверхности сенсорного массива, локализованного на кремнии в радиусе 2,4 мм для АМ512, составит 2 мм. Амплитудное значение рабочего магнитного поля при этом составит порядка 35 мТл.For example, for factory-programmed AM512, the recommended magnet sizes are ⌀4 × 4 mm Sm2Co17, with a residual magnetization of the order of 1050 mT; the typical distance from the surface of the magnet to the surface of the sensor array localized on silicon in a radius of 2.4 mm for the AM512 is 2 mm. The amplitude value of the working magnetic field will be about 35 mT.
Те же размеры магнита (⌀4×4 мм) со значениями рабочей магнитной индукции порядка 20-100 мТл рекомендованы для iC-MA iC-Haus, поддерживающей 28 различных режимов работы, в том числе аналоговые: синусно-косинусные выходы, пилообразный резисторный выход для замещения потенциометров и треугольный выход (с амплитудным значением на 180°).The same magnet sizes (⌀4 × 4 mm) with working magnetic induction values of about 20-100 mT are recommended for iC-MA iC-Haus, which supports 28 different operating modes, including analog ones: sine-cosine outputs, sawtooth resistor output for substitution of potentiometers and triangular output (with an amplitude value of 180 °).
В конструкции датчика могут быть использованы магниты другой геометрии, с большими или меньшими расстояниями до ИС. Основные условия работоспособности датчика - рекомендуемые рабочие значения магнитной индукции, приведенные в таблице. Следует отметить, что хотя в заявляемом датчике могут использоваться магниты из любых материалов (Алнико, ферриты, SmCo или NdFeB), в автомобильных системах с повышенной рабочей температурой наиболее предпочтительным материалом является SmCo, имеющий лучшие свойства температурной стабильности.In the design of the sensor can be used magnets of a different geometry, with greater or lesser distances to the IC. The basic conditions for the sensor’s operability are the recommended operating values of the magnetic induction given in the table. It should be noted that although magnets from any materials (Alnico, ferrites, SmCo or NdFeB) can be used in the inventive sensor, in automobile systems with an increased operating temperature, SmCo having the best temperature stability properties is the most preferred material.
В двухосевых измерениях ось вращения цилиндрического дипольного магнита центрирована с массивом измерительных элементов и является точкой отсчета полярной системы координат для определения угла φ поворота легкой оси (фиг.11), что ассоциируется с конфигурацией внешнего датчика, специально предназначенного для монтажа на торце вала.In biaxial measurements, the axis of rotation of the cylindrical dipole magnet is centered with the array of measuring elements and is the reference point of the polar coordinate system to determine the angle φ of rotation of the easy axis (Fig. 11), which is associated with the configuration of an external sensor specially designed for mounting on the shaft end.
Применение программируемой ИС двухосевого углового энкодера в комбинации с вращающимся постоянным магнитом, создающим рабочее поле, позволяет получать в диапазоне 360° четыре первичных аналоговых рабочих сигнала (фиг.32), что эквивалентно применению четырех аналоговых датчиков Холла классического типа в альтернативных конструкциях и означает упрощение конструкции, технологии сборки и монтажа. За счет качества сборки и однородности магнитных поверхностей достигается дальнейшее повышение точности и повторяемости измерений, повышение надежности.The use of a programmable IC of a biaxial angular encoder in combination with a rotating permanent magnet creating a working field allows one to obtain four primary analog working signals in the 360 ° range (Fig. 32), which is equivalent to the use of four classical Hall analog sensors in alternative designs and means simplifying the design assembly and installation technologies. Due to the build quality and uniformity of the magnetic surfaces, a further increase in the accuracy and repeatability of measurements, an increase in reliability is achieved.
Применение массива с четырьмя попарно ортогональными элементами Холла ассоциируется с чисто угловыми измерениями, при этом погрешность выравнивания магнита минимальна. Использование элементов Холла, объединенных в массив, дополнительно обеспечивает получение информации о направлении (угле поворота) магнитного поля при его периодическом изменении относительно массива чувствительных элементов, интегрированных в ИС Холла.The use of an array with four pairwise orthogonal Hall elements is associated with purely angular measurements, while the magnet alignment error is minimal. The use of Hall elements combined into an array additionally provides information on the direction (angle of rotation) of the magnetic field during its periodic change relative to the array of sensitive elements integrated into the Hall IC.
Магнитные угловые энкодеры типа AS5043 устойчивы к смещениям магнита и внешним магнитным возмущениям согласно дифференциальной технике измерений, вариациям воздушного зазора и температурным вариациям согласно синусно-косинусной оценке сигнала.AS5043 type magnetic angle encoders are resistant to magnet displacements and external magnetic disturbances according to differential measurement techniques, air gap variations and temperature variations according to a sine-cosine signal estimate.
Кроме того, эффективные способы устранения смещения планарных элементов Холла, например метод «spinning current», позволяют достигать значений смещения порядка нескольких мкТл. Существуют также эффективные способы компенсации усилительной части такие, как техника автообнуления, согласованная двойная дискретизация.In addition, effective methods of eliminating the displacement of planar Hall elements, for example, the spinning current method, allow one to achieve bias values of the order of several μT. There are also effective ways to compensate for the amplification part, such as the auto-zeroing technique, consistent double sampling.
ИС - магнитные угловые энкодеры с массивом чувствительных элементов Холла обеспечивают самое компактное решение для сканирования углового положения постоянного магнита, размещенного выше или ниже чувствительной поверхности ИС: используемый при этом магнит, диаметрально намагниченный и цилиндрической формы, может быть значительно меньших размеров по сравнению с магнитами для АМР-датчиков, традиционно используемых в аналогичной конфигурации. Высокая чувствительность интегральных датчиков - магнитных угловых энкодеров Холла позволяет использовать рабочий воздушный зазор во всех конфигурациях, достаточный для изоляции механической и электрической частей друг от друга.IC - magnetic angular encoders with an array of Hall sensitive elements provide the most compact solution for scanning the angular position of a permanent magnet located above or below the sensitive surface of the IC: the magnet used in this case, diametrically magnetized and cylindrical, can be significantly smaller in comparison with magnets for AMR sensors traditionally used in a similar configuration. The high sensitivity of integral sensors - magnetic angular Hall encoders allows the use of a working air gap in all configurations, sufficient to isolate the mechanical and electrical parts from each other.
Заявляемый датчик отражает, в первую очередь, введение в датчик углового положения на эффекте Холла, например, дроссельной заслонки или педали акселератора, описанные выше, магнитной системы на основе программируемой ИС двухосевого углового энкодера с линейным аналоговым или ШИМ-выходом в диапазоне угла 0...360°, и, вторично, развитие адаптационных признаков устройства к конкретным условиям работы через механику и схемотехнику (программирование) датчика.The inventive sensor reflects, first of all, the introduction into the sensor of the angular position on the Hall effect, for example, the throttle or accelerator pedals described above, of a magnetic system based on a programmable IC of a two-axis angular encoder with a linear analog or PWM output in an angle range of 0 .. .360 °, and, secondly, the development of the adaptive features of the device to specific working conditions through the mechanics and circuitry (programming) of the sensor.
Развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы достигается за счет применения двухосевой ИС энкодера Холла с массивом чувствительных элементов, интегрированной схемой обработки сигнала и готовым аналоговым или ШИМ интерфейсом, а также за счет введения механических ограничителей - упоров измеряемого угла и ограничителя осевых перемещений ротора, жестко закрепленного в корпусе датчика, дополнительно - за счет введения возвратной пружины кручения, например, в датчик положения дроссельной заслонки, показанный на фиг.1-4.The development of adaptation features to specific working conditions is achieved through the use of a two-axis Hall encoder IC with an array of sensitive elements, an integrated signal processing circuit and a ready-made analog or PWM interface, as well as through the introduction of mechanical stops - stops of the measured angle and a rotor axial displacement limiter, rigidly fixed in the sensor housing, additionally due to the introduction of a return torsion spring, for example, in the throttle position sensor shown in Fig.1-4.
Введение ограничителя осевых перемещений позволяет увеличить магнитную чувствительность датчика (крутизну рабочих магнитных сигналов), использовать меньшие рабочие зазоры и более слабые магниты, или регулировать зазор, если это необходимо, одновременно с наблюдением состояния функционального вывода высоты магнита. При малых рабочих зазорах ограничитель полностью исключает риск физического разрушения микросхемы вследствие осевых биений привода дроссельной заслонки, педали и т.д., и механической вибрации.The introduction of an axial displacement limiter allows one to increase the magnetic sensitivity of the sensor (steepness of working magnetic signals), use smaller working gaps and weaker magnets, or adjust the gap, if necessary, while observing the state of the functional output of the magnet height. At small operating clearances, the limiter completely eliminates the risk of physical destruction of the microcircuit due to axial beats of the throttle actuator, pedals, etc., and mechanical vibration.
По сравнению с магнитной системой, описанной выше, но без ограничителя осевых перемещений, введение ограничителя для использования малых рабочих зазоров означает увеличение амплитуды рабочего магнитного сигнала, при сохранении той же однородности и формы синусоидальных и косинусоидальных рабочих сигналов и, как следствие, их большую помехоустойчивость, увеличение надежности, повышение точности измерений, показателя линейности первичных аналоговых сигналов, используемых в ИС энкодера для вычисления углового положения, повторяемости.Compared to the magnetic system described above, but without an axial displacement limiter, introducing a limiter for using small working gaps means increasing the amplitude of the working magnetic signal, while maintaining the same uniformity and shape of the sinusoidal and cosine working signals and, as a consequence, their greater noise immunity, increased reliability, improved measurement accuracy, linearity index of the primary analog signals used in the encoder IC to calculate the angular position, repeatability and.
Конструкция заявляемого устройства позволяет использовать для расположения ИС Холла любое постоянное расстояние от магнита, определяемое в данном случае из функциональных соображений (работоспособности), что означает упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа.The design of the claimed device allows the use of any constant distance from the magnet for the location of the Hall IC, which is determined in this case from functional considerations (operability), which means simplifying the design of the device and the technology for its assembly and installation.
Программирование в ИС нулевого положения магнита обеспечивает произвольный выбор в конструкции любого положения нулевой плоскости магнитной симметрии магнита относительно корпуса датчика. Электрический ноль может быть посредством программного обеспечения передвинут в любую точку механического диапазона (например, 30° или - 15°). Но в том случае, когда нулевое положение магнитной плоскости симметрии и механическое нулевое положение ротора относительно корпуса максимально приближены друг к другу, можно ожидать наиболее быстрого и точного (в условиях серийного производства) согласования вычислений арктангенса и уровней первичных магнитных синусно-косинусных сигналов именно на нулевой границе механического угла - в связи с возможными магнитными и механическими допусками.Programming in the IC the zero position of the magnet provides an arbitrary choice in the design of any position of the zero plane of the magnetic symmetry of the magnet relative to the sensor housing. Electric zero can be moved by software to anywhere in the mechanical range (for example, 30 ° or - 15 °). But in the case when the zero position of the magnetic plane of symmetry and the mechanical zero position of the rotor relative to the housing are as close as possible to each other, we can expect the fastest and most accurate (in serial production) coordination of the calculation of the arc tangent and the levels of primary magnetic sine-cosine signals at exactly zero the boundary of the mechanical angle - in connection with possible magnetic and mechanical tolerances.
Полезные признаки конструкции обеспечиваются за счет введения ориентирующих пазов (лыски) в установочной втулке датчика и втулке - корпусе магнита для быстрой механической подгонки положения отверткой, механических ограничителей осевых перемещений ротора с магнитом и измеряемого угла (упоров в корпусе датчика), а также введения возвратной пружины кручения для ограничения крутящего момента, если таковое не выполняется извне. Лыска в установочной втулке датчика и паз в корпусе магнита под отвертку обеспечивают идентичные технические характеристики серийно выпускаемых изделий.Useful design features are provided by introducing orienting grooves (flats) in the sensor mounting sleeve and the magnet sleeve for quick mechanical adjustment of the position with a screwdriver, mechanical limiters of the axial displacement of the rotor with the magnet and the measured angle (stops in the sensor case), as well as the introduction of a return spring torsion to limit torque, if not performed externally. The flats in the sensor mounting sleeve and the groove in the magnet housing for the screwdriver provide identical technical characteristics for commercially available products.
Конструкция заявляемого датчика характеризуется простотой, технологичностью, надежностью, минимальным набором механических и электрических компонентов и максимальным набором адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе максимально адаптированным интерфейсом.The design of the inventive sensor is characterized by simplicity, manufacturability, reliability, a minimum set of mechanical and electrical components and a maximum set of adaptive features to specific operating conditions, including the most adapted interface.
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), а также за счет включения в контактный интерфейс датчика только функциональных выводов и сокращения числа вспомогательных выводов датчика, не используемых в дальнейшем после его однократного программирования, что означает дальнейшее упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа.Minimization of electronic components is achieved through the use of a Hall encoder IC with a high degree of integration (the minimum set of external interface components is used only in the absence of identical integrated tools), as well as by including only functional outputs in the sensor contact interface and reducing the number of auxiliary sensor outputs, not used in the future after its one-time programming, which means further simplification of the design of the device and the technology of its assembly and installation.
На фиг.23 показано сравнение классической выходной характеристики датчика Холла и трех режимов заявляемого устройства на основе AS5043. Фиг.23 иллюстрирует расширение максимального механического, эффективного электрического и линейного диапазонов измеряемых углов заявляемого датчика, границы которых могуч принимать конкретные, как в примере с AS5043, значения в диапазоне 0...360°, программируемые при сборке, 360°/180°/90°/45°, так и могут регулироваться более плавно.On Fig shows a comparison of the classical output characteristics of the Hall sensor and the three modes of the inventive device based on AS5043. 23 illustrates the expansion of the maximum mechanical, effective electrical and linear ranges of the measured angles of the inventive sensor, the boundaries of which can be specific, as in the example with AS5043, values in the
Высокие показатели линейности выходного сигнала и точности (≤+0,5°) обеспечиваются за счет интегральных технологий: дифференциального принципа квадратичного массива элементов, методов устранения смещения, например «spinning current», который реализован во всех ИС Austriamicrosystems, вычислительных и интерфейсных возможностей (теоретических принципов) энкодеров.High linearity of the output signal and accuracy (≤ + 0.5 °) are ensured by integrated technologies: the differential principle of a quadratic array of elements, methods for eliminating bias, such as “spinning current”, which is implemented in all Austriamicrosystems ICs, computational and interface capabilities (theoretical principles) of encoders.
Таким образом, повышение точности измерений, повторяемости, линейности (линейности аналогового сигнала или дрейфа скважности ШИМ-сигнала), расширение функционального диапазона и линейного участка измеряемого угла до 360°, увеличение чувствительности, развитие адаптационных признаков к конкретным условиям работы, в том числе - прямое замещение аналоговых трехпроводных и двухпроводных (ШИМ) потенциометров, повышение надежности, дальнейшее упрощение конструкции устройства и технологии его сборки и монтажа достигаются за счет применения в датчике оптимизированной магнитной системы на основе цилиндрического дипольного магнита, создающего вращение направления магнитного вектора параллельно поверхности ИС двухосевого углового энкодера Холла с линейным или ШИМ-выходом.Thus, increasing the accuracy of measurements, repeatability, linearity (linearity of the analog signal or PWM signal duty cycle drift), expanding the functional range and the linear portion of the measured angle to 360 °, increasing sensitivity, developing adaptive features to specific working conditions, including direct replacing analog three-wire and two-wire (PWM) potentiometers, increasing reliability, further simplifying the design of the device and the technology for its assembly and installation are achieved through the use of optimized magnetic sensor system based on a cylindrical dipole magnet that produces rotation of the magnetic vector parallel to the surface of the Hall IC biaxial angular encoder with linear or PWM output.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005130846/28A RU2313763C2 (en) | 2005-10-04 | 2005-10-04 | Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005130846/28A RU2313763C2 (en) | 2005-10-04 | 2005-10-04 | Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005130846A RU2005130846A (en) | 2007-04-10 |
| RU2313763C2 true RU2313763C2 (en) | 2007-12-27 |
Family
ID=38000115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005130846/28A RU2313763C2 (en) | 2005-10-04 | 2005-10-04 | Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2313763C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529825C1 (en) * | 2013-03-04 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" | Multi-stage angle sensor |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101738495B (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-08 | 浙江大学 | CORDIC algorithm-based capacitive micro-accelerometer signal detection device |
| CN113231213B (en) * | 2021-05-11 | 2022-02-18 | 柳州市中晶科技有限公司 | Spraying robot with grease proofing lacquer mechanism that drips |
-
2005
- 2005-10-04 RU RU2005130846/28A patent/RU2313763C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2529825C1 (en) * | 2013-03-04 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова" | Multi-stage angle sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005130846A (en) | 2007-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3892038B2 (en) | Smart linear angular position sensor | |
| JP5676704B2 (en) | Method and apparatus for analog rotation sensor | |
| JP5059772B2 (en) | Magnetic angular position sensor with a course of up to 360 ° | |
| US8587295B2 (en) | Angle detection apparatus and position detection apparatus | |
| CA2612932C (en) | Absolute encoder and method for generating an absolute value for an angle of rotation | |
| US6222359B1 (en) | Non-contacting position sensor using radial bipolar tapered magnets | |
| TWI274879B (en) | Motor-driven gear change for a bicycle | |
| JP5613839B2 (en) | Method and apparatus for absolute positioning of a moving object | |
| US20020190709A1 (en) | Methods and apparatus for sensing angular position and speed of a rotatable shaft utilizing linearized annular magnet and commutated ratiometric hall sensors | |
| JP2004534244A (en) | Contactless detection method of butterfly valve shaft position of butterfly valve connection piece and butterfly valve connection piece | |
| JP2002501168A (en) | Electronic circuit that automatically compensates for DC offset of linear displacement sensors | |
| RU2615612C2 (en) | Contactless true dual axis shaft encoder | |
| US6201388B1 (en) | Device for determining the angular position of a rotating member utilizing a magnetic hall effect transducer | |
| US7710110B2 (en) | Rotary sensor with rotary sensing element and rotatable hollow magnet | |
| CN110595349A (en) | Multi-pole magnet, method of manufacturing multi-pole magnet, and sensor system including the same | |
| RU2313763C2 (en) | Contactless sensor of angular position with a linear angular diapason in the limits of 360 degrees | |
| US7391206B2 (en) | Magnetic detection circuit and encoder | |
| JPH02503718A (en) | Shaft angular position sensing device | |
| JP4706407B2 (en) | Magnetic encoder device | |
| US20020171417A1 (en) | Angle detector with magnetoresistive sensor elements | |
| JPH03233317A (en) | Rotation angle sensor | |
| RU2317522C2 (en) | Programmable contact-free angular movement indicator with linear angular range within limits of 360° | |
| US20210262832A1 (en) | Multiple position detection using an inhomogeneously varying magnetic field | |
| RU2301399C2 (en) | Contact-free pedal position detector | |
| RU2312363C1 (en) | Contactless programmable pickup of absolute angular position |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071005 |