一種低功率的轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量技術(shù)

簡(jiǎn)介

無(wú)論是工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，還是汽車應(yīng)用中的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 (EPS) 和電機(jī)位置測(cè)量，許多應(yīng)用都需要監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)物體的角度。要設(shè)計(jì)一種成功的、可滿足此類應(yīng)用需求的角度測(cè)量系統(tǒng)，必須依照用戶的要求進(jìn)行。本文以熄火狀態(tài)下汽車系統(tǒng)中的 A1339 角度傳感器 IC為例，介紹了電池供電應(yīng)用中如何在多任務(wù)模式下運(yùn)行的傳感器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量(角度測(cè)量)。

A1339角度傳感器

作為Allegro 最快速的0°~360°角度傳感器，A1339 能夠基于環(huán)形垂直霍爾矩陣(CVH)技術(shù)來提供非接觸式的高分辨率角度信息。它具有包括下列功能的片上系統(tǒng) (SoC) 架構(gòu)：CVH 前端、數(shù)字信號(hào)處理、SPI、ABI/UVW 和 PWM 輸出。它包括片上 EEPROM，能夠支持多達(dá)100次的讀/寫，可用于靈活的下線參數(shù)校準(zhǔn)程。

A1339 非常適合用于要求進(jìn)行高速 0°至 360°角度測(cè)量的汽車應(yīng)用，例如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、旋轉(zhuǎn)式換檔器 (PRNDL)、安全帶張緊器和油門系統(tǒng)。A1339 角度傳感器 IC 器件設(shè)計(jì)用于支持各種有應(yīng)用，而且有多種工作模式，可以按照輸出模式或功耗進(jìn)行設(shè)置。

熄火狀態(tài)下的汽車系統(tǒng)

部分汽車角度感應(yīng)應(yīng)用要求在熄火狀態(tài)下仍然具備角位置跟蹤能力。在熄火狀態(tài)下，車內(nèi)的大部分穩(wěn)壓器都不再運(yùn)行。因此，必須在熄火狀態(tài)下仍然可以運(yùn)行的傳感器通常直接由汽車電瓶 (12 V) 供電，此類應(yīng)用包括安全帶被動(dòng)安全系統(tǒng)、EPS 電機(jī)位置等等。

通常情況下，這些電機(jī)和安全帶系統(tǒng)通過齒輪連接，因此角度傳感器 IC 需要計(jì)算多個(gè)角度傳感器旋轉(zhuǎn)。為此，A1339中采用了可以計(jì)算磁體旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的電路。當(dāng)傳感器 IC 連接到汽車電池時(shí)，它們還必須具有低功耗模式，以實(shí)現(xiàn)高效的電池使用。即使當(dāng)車輛處于熄火狀態(tài)時(shí)，傳感器 IC 仍然必須跟蹤磁體的轉(zhuǎn)數(shù) (TC) 。即使是設(shè)置到低功率模式時(shí)，A1339 仍然可以監(jiān)控并持續(xù)跟蹤 TC。這樣可以保證系統(tǒng)可以在使用 A1339 時(shí)無(wú)論系統(tǒng)處于點(diǎn)火模式還是熄火模式都可以準(zhǔn)確而且持續(xù)地跟蹤方向盤的位置或安全帶的張緊度。

但在之前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上，這種熄火模式要求需要通過結(jié)合相對(duì)復(fù)雜的機(jī)械和電子組件才能夠?qū)崿F(xiàn)。因此A1339 降低了系統(tǒng)復(fù)雜程度，并通過執(zhí)行絕對(duì)角度測(cè)量和 轉(zhuǎn)數(shù)跟蹤而減少了多個(gè)系統(tǒng)組件，同時(shí)可以降低車輛在熄火狀態(tài)下的電瓶功耗 (僅僅70 μA)。

圖 1：A1339用于轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)的示例

通過 SPI 或曼徹斯特接口，A1339 能夠報(bào)告直接角度輸出(通過選定的輸出接口報(bào)告的 12/15 位數(shù)字角度輸出)或轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù) (TC) 輸出，TC 輸出是磁體目標(biāo)在順時(shí)針或逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)的量化跟蹤計(jì)數(shù)。

A1339 可以提供正常功率模式、低功率模式和超低功率運(yùn)輸模式。

正常功率模式

A1339 專門針對(duì)電池供電的應(yīng)用設(shè)計(jì)，在這些應(yīng)用中跟蹤目標(biāo)旋轉(zhuǎn)的任務(wù)可以分配到兩種任務(wù)模式中的一種。第一種工作模式可描述為角度跟蹤模式，傳感器 IC 會(huì)跟蹤全帶寬輸出并以全分辨率提供角度輸出測(cè)量結(jié)果(這是 A1339 的正常功率模式)。

在正常功率模式中，IC 消耗最大電流(通常為 12 mA—請(qǐng)參閱 A1339 數(shù)據(jù)表中的正常模式供電電流規(guī)格了解具體數(shù)據(jù))，以支持全部的功能集并以內(nèi)部平均設(shè)置 (ORATE) 中選擇的最高頻率更新角度輸出寄存器(請(qǐng)參閱 A1339 數(shù)據(jù)表參考了解更多詳細(xì)信息)。

低功率模式

第二種工作模式(低功率模式)可以視為轉(zhuǎn)數(shù)跟蹤模式。這一模式中，傳感器 IC 不需要以全分辨率跟蹤角度，跟蹤目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)值足以。

在低功率模式 (LPM) 中，IC 不提供 SPI、PWM、UVW/ABI 或曼徹斯特接口的角度讀數(shù)，大多數(shù)模擬和數(shù)字電路都不通電，傳感器 IC 周期性地在兩個(gè)不同的狀態(tài)之間循環(huán)。大多數(shù)情況下，傳感器 IC 保持在較低功率靜態(tài)電流“睡眠”狀態(tài) (ICC < 70 μA)。在這種狀態(tài)下，電源從模擬換能器移除，不會(huì)發(fā)生角度測(cè)量。

傳感器 IC 定期進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)，通過降低的功率信號(hào)路徑監(jiān)測(cè)磁體位置，并更新轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù) (ICC ≈ 7 mA)。用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用通過對(duì)片上 EEPROM 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程來調(diào)節(jié)低功率模式運(yùn)行的睡眠時(shí)間。

SPI 輸入引腳(MOSI、SCLK、CS)被用作 LPM 的主判優(yōu)器。當(dāng)所有三個(gè)引腳均為低電平至少 60μs 時(shí)，傳感器 IC 將進(jìn)入低功率模式(“喚醒”狀態(tài))。ABI 和 PWM 引腳是三態(tài)的，并且大多數(shù)數(shù)字和模擬電路都關(guān)斷。如果滿足條件 [BT1]，則傳感器 IC 將進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)，并且周期性地在“睡眠”和“喚醒”狀態(tài)之間循環(huán)，以監(jiān)視磁體的位置并更新轉(zhuǎn)向跟蹤。

WAKE 引腳用于從外部強(qiáng)制“喚醒”[BT2] 狀態(tài)。WAKE 引腳達(dá)到可編程閾值以上時(shí)，傳感器 IC 將進(jìn)入跟蹤“喚醒”狀態(tài)并監(jiān)視位置的轉(zhuǎn)彎。同樣，如果觀察到過大的 RPM，則傳感器 IC 將進(jìn)入“喚醒”狀態(tài)，以防止錯(cuò)過磁旋轉(zhuǎn)。

運(yùn)輸模式

某些由電池供電的應(yīng)用要求在長(zhǎng)期儲(chǔ)存和/或運(yùn)輸過程中 IC 保持極低的功耗(例如新車從裝配線運(yùn)輸?shù)浇?jīng)銷商的過程中)。為了滿足這一需求，A1339 提供了超低功率模式，稱為運(yùn)輸模式。運(yùn)輸模式用于將 A1339 設(shè)置到深度睡眠狀態(tài)，保持極低的功耗。在這一模式中，傳感器 IC 不會(huì)跟蹤角度或轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)。通常情況下，在運(yùn)輸模式中每顆 IC 晶片的電流消耗量?jī)H為 45 μA。

表1：模式狀態(tài)

結(jié)論

除了提供非接觸式磁體角度感應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)外，A1339 還可以在要求低功耗的嚴(yán)苛的電池供電(包括汽車)系統(tǒng)中運(yùn)行。最后，A1339 可以在正常功率和低功率模式下跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)，可以完美實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜機(jī)械設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)在熄火狀態(tài)下跟蹤磁體目標(biāo)位置的同時(shí)不犧牲系統(tǒng)的整體穩(wěn)健性和可靠性。