14 Прокофьев Г.В
advertisement
Создание магнитных датчиков углового положения на основе отечественной специализированной БИС преобразователя фаза квадратурного сигнала - код положения К1382НХ045 Г.В. Прокофьев, В.Г. Стахин, к.т.н., А.А. Обеднин, Н.А. Дюжев, к.ф.м.н., А.С. Юров, Н.С. Мазуркин 1 ПРОБЛЕМА Различные датчики углового положения являются обязательным компонентом в автоэлектронике, промышленной автоматике, робототехнике, продукции ВПК. Широкое распространение получили датчики на магнитном эффекте, используя в качестве чувствительных элементов магниторезисторы или элементы Холла и обрабатывая их сигнал на микросхемах общего назначения или микроконтроллерах. Для снижения себестоимости изделий и их массогабаритных характеристик актуальным является использование специализированных микросхем обработки сигналов для таких датчиков. В связи с этим ЗАО «ЗНТЦ» была разработана специализированная микросхема преобразователя фазы квадратурного сигнала в код положения К1382НХ045. Разработанная микросхема позволяет создавать компактные магнитные датчики углового положения. 2 Описание БИС К1382НХ045 Работает с чувствительными элементами, преобразующими сигнал о положении в синусно-косинусный сигнал (AMR-сенсоры KMZ41, МРС-20, дискретные магниторезисторы и элементы Холла с ортогональным расположением). Требует минимума внешних компонент (один конденсатор) Встроенный программируемый усилитель – подстройка смещения и усиления Разрешение 12 (13) бит Скорость преобразования 300 (16) мкс Цифровой аппаратный модуль вычисления кода положения Подстройка нулевого положения, крутизны ограничительных уровней, направления вращения преобразования, Сохранение настроек в EEPROM Выходы – аналоговый линейный, SPI, OWI (однопроводной) Идентификатор кристалла 32 бит 3 Структурная схема БИС К1382НХ045 CSn CLK DO DI CFG К1382НХ045 Блок определения превышения уровня входного сигнала VDDR Источник тока TCURR[3:0] Цифровой модуль AVDD Интерфейс SPI/SSI COSp VREF VDD REFL EN_PGA MUX1 SINp SINn REFH VSSR Регистр Синус Блок подстройки смещения Сигма-дельта АЦП 13 бит PGA GA[4:0] OA[4:0] MUX_A Тактовый генератор Блок коррекции положения ЦАП 13 бит OUT Регистр Косинус CLK COSn Блок CORDIC Блок накачки EEPROM EEPROM 32x16 Интерфейс OWI VSS CLK VREF Блок опорных напряжений CLK Блок управления POR AVSS 4 Передаточная характеристика БИС К1382НХ045 5 Сравнение с конкурентом Характеристики К1382НХ045 в.1 ZMD U2730 (в.2) (KMA199) Разрешение 12 (13) 13 Время преобразования 240 (16) мкс 320мкс Аналоговый выход Есть Есть Интерфейс SPI Есть Нет Однопроводной интерфейс Есть Только для настройки Подстройка нулевого положения Есть Есть Подстройка крутизны преобразования Есть Есть Подстройка Есть ограничивающих пороговых уровней Есть Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки Требования к датчику Напряжение питания 5 В Ток потребления не более 12 мА Конструктив – стандартный для автомобилей ВАЗ Выход – линейный аналоговый Диапазон измеряемого угла 21-55 град Угол наклона кривой 0.1071 Нелинейность не более ±2% Настройка датчика – по однопроводному интерфейсу, совмещенному с аналоговым выходом 7 Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки Сенсор – квадратурный AMR-магниторезистор МРС-20 (аналог KMZ41) 0.1мкФ МРС-20 AVDD VDD Магниторезистор SIN Разъем датчика Uпит SINp SINn Вых OUT GND Cf К1382НХ045 K1382HX045 Магниторезистор COS COSp COSn AVSS VSS 8 Применение БИС К1382НХ045: Датчик положения дроссельной заслонки Характеристики датчика дроссельной заслонки 5,000 2,5 y = 0,1071x - 1,5237 2,0 4,000 1,5 3,500 1,0 3,000 0,5 2,500 0,0 2,000 -0,5 1,500 -1,0 1 1,000 -1,5 2 Линейный (1) 0,500 Ошибка преобразования, % Выходное напряжение, В 4,500 -2,0 0,000 -2,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Угол поворота, град 9 Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный Требования к датчику Напряжение питания 10±10% В Ток потребления не более 30 мА Диаметр 45 мм, длина 50мм, вал 8 мм Диапазон измеряемого угла 360 град Интерфейс - SPI Ошибка преобразования не более ±1 град 10 Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный 0.1мкФ Микрозонд Элемент Холла SIN AVDD Интегральный стабилизатор 5В VDD SINp Разъем датчика Uпит SINn К1382НХ045 Элемент Холла COS COSp CLK SCK CSn CSn DO MISO DI MOSI CFG CFG GND COSn 4.7к AVSS VSS 11 Применение БИС К1382НХ045: Энкодер углового положения абсолютный График ошибки преобразования на полный оборот энкодера 1 0,6 0,2 32 22 11,9 1,85 352 342 332 322 312 301 291 281 271 261 251 241 231 221 211 201 191 181 171 161 151 140 130 120 110 100 90,1 70 80,1 59,9 49,9 39,8 29,8 19,7 9,62 0 -0,4 Ошибка преобразования, град. 0,4 -0,2 -0,4 -0,6 Угол поворота, град. 12 Заключение Разработанная БИС К1382НХ045 обладает конкурентоспособными характеристиками по сравнению с зарубежными разработками. БИС К1382НХ045 работает с различными чувствительными элементами такими как квадратурные магниторезисторы и дискретные элементы Холла. БИС К1382НХ045 позволяет создавать датчики положения с конкурентоспособными характеристиками на полностью отечественной элементной базе. Образцы микросхемы вместе предоставляются бесплатно для применения. со средствами отладки исследований возможности 13 ENC_ASIC2 - БИС однокристального многооборотного магнитного абсолютного энкодера положения Назначение – создание быстродействующих компактных On-Axis магнитных энкодеров углового положения Области применения: Промышленные датчики: абсолютные энкодеры углового положения, однооборотные и многооборотные. Электропривод: датчик обратной связи в системах управления бесколлекторными двигателями. Автоэлектроника: датчики положения подвижных механизмов. Робототехника: датчики положения подвижных узлов. Авионика и военная техника: датчики положения подвижных узлов. Электроника: компактные цифровые бесконтактные потенциометры на магнитном эффекте Статус проекта: Первые образцы будут изготовлены к концу 2014 года. 14 ENC_ASIC2 – Структурная схема 15 ENC_ASIC2, Сравнение с конкурентами Характеристики ENC_ASIC2 iC-MH, iC-Haus AS5145, AMS AM4096, RLS Разрешение 12 12 12 12 Время преобразования 1мкс 0.12мкс 96мкс 0.7мкс Счетчик оборотов 10 бит Нет Нет Нет Синусно-косинусный выход Есть Нет Нет Есть Аналоговый выход Есть Нет Нет Есть Интерфейс SPI Есть Есть Есть Нет Интерфейс SSI Есть Есть Есть Есть Инкрементальный выход Есть Есть Есть Есть Выход UVW Есть Есть Нет Есть Выход ШИМ Есть Нет Есть Есть Выход Step+Dir Есть Нет Нет Нет Подстройка нулевого положения Есть Есть Есть Есть Подстройка ограничивающих пороговых значений положения Есть Нет Нет Нет ENC_ASIC2 –пример применения Датчик положения ротора в системах управления бесколлекторными электродвигателями вместо традиционно используемой системы из 3-х датчиков Холла. Это позволит: 1. Достичь существенно более точного определения момента коммутации обмоток => высокой равномерности вращения; 2. Достичь высокой точности разгона, позиционирования и торможения. 17 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ Мы открыты для сотрудничества ! Дизайн-центр микросистемной техники и проектирования SoC Директор Дизайн-центра: Стахин Вениамин Георгиевич Тел. +7 (499) 720-89-52, stakhin@idm-plus.ru Ведущий специалист направления магнитных датчиков: Прокофьев Георгий Всеволодович Тел. +7 (499) 720-69-72, prokofiev@idm-plus.ru, skype: georgpro «Зеленоградский нанотехнологический центр» Москва, Зеленоград, пр. 4806, д. 5, стр. 23 тел. (499) 720-69-44, тел. (499) 720-69-69, www.zntc.ru, zntc@zntc.ru
