Функциональные возможности магнитного энкодера положения К1382НМ025 от АО «ЗНТЦ»

В статье рассказано о микросхеме К1382НМ025 для реализации угломерного датчика (энкодера) непосредственно на валу устройства и ее функциональных возможностях. Показаны преимущества, в том числе перед импортными аналогами.

В большинстве случаев для измерения угловых перемещений используются функционально готовые к применению устройства – энкодеры. Они представляют собой угломерные датчики, использующие технологии оптического, магнитного, резистивного или да­же контактного преобразования угла положения ва­ла в электрический сигнал.

Зачастую применение отдельного дополнительного устройства (энкодера) усложняет конструкцию изделия и влечет за собой необходимость механической калибровки угловых положений двух валов, их соосности и исключения люфта муфты при их вращении. В статье пойдет речь о функциональных возможностях микросхемы К1382НМ025 для реализации угломерного датчика непосредственно на ва­лу устройства.

Описание и принцип работы

Микросхема состоит из встроенного магниточувствительного сенсора, аналогового тракта усиления сигнала сенсора и тракта цифрового преобразования сигнала в код. Источником угловой информации является магнитное по­ле, создаваемое радиально намагниченным цилиндрическим магнитом, закрепленным на торце ва­ла (рис. 1б). Таким образом, направление магнитного по­ля будет соответствовать угловому положению ва­ла. Для считывания направления магнитного по­ля сенсорная система содержит несколько пар датчиков, использующих эффект Холла и расположенных по окружности диаметром 2,2 мм (рис. 1б). Габариты микросхемы составляют 6 × 6 мм (рис. 1а).

Рис. 1. Микросхема К1382НМ025: а – внешний вид при исполнении в пластмассовом корпусе PQFN‑6x6-40; б – магнитная система

В отличие от импортных аналогов в микросхеме предусмотрено четыре па­ры датчиков вместо двух, что позволяет получить более линейную характеристику преобразования во всем диапазоне угловых положений (360°).

Датчики формируют входные сигналы для синусного и косинусного каналов аналогового тракта микросхемы. Сенсор и магнит образуют сенсорную систему, от качества работы которой зависит точность считывания угла. Для обеспечения качества необходимо совместить ось поворота магнита с центром сенсорной системы – центром корпуса микросхемы. Для этого в микросхеме предусмотрен канал калибровки. Рекомендуемые размеры диаметрально намагниченного цилиндрического магнита: не менее D = 6 мм, Н = 3 мм.

Электрическая компенсация постоянной составляющей магнитного поля методом подстройки смещения ну­ля дифференциальных усилителей синусного и косинусного каналов допускает конструктивную несоосность в пределах ±0,25 мм. Недостаточность или избыточность уровня сигнала сенсора компенсируется усилением дифференциальных усилителей. Оптимальное расстояние между корпусом микросхемы и магнитом находится в пределах 0,5–1,5 мм. При увеличении расстояния повышается степень влияния магнитных помех и соотношение сигнал/шум, определяющее точность считывания угла положения. Наличие зазора позволяет расположить в нем перегородку из немагнитного материала и разместить плату с микросхемой в изолированном от механической части объеме.

С помощью следящего АЦП в тракте цифрового преобразования осуществляется преобразование синусно‑косинусных сигналов в 12‑битный код угла, пропорциональный разности текущих значений их амплитуд. Далее из этого ко­да формируются сигналы интерфейсов:
- линейный выход (формируется 12‑разрядным ЦАП);
- цифровой последовательный интерфейс SPI/SSI;
- инкрементальный квадратурный интерфейс;
- трехфазный UVW для управления вентильными электродвигателями;
- ШИМ‑сигнал.

Основные электрические параметры микросхемы:
- диапазон измеряемых углов: от 0 до 360°;
- программируемый счетчик оборотов: 10-разрядный (до 1024 об.);
- максимальная скорость вращения1: до 60 тыс. об./мин;
- разрядность вычисления кода: 12 бит (4096 отчетов на оборот);
- угловое разрешение: 0,09° (5,3 угл. мин);
- время преобразования: 250 нс;
- погрешность преобразования: ±0,35°;
- напряжение электропитания2: +5 В ± 10 %;
- ток потребления: 30 мА;
- диапазон рабочих температур: от –60 до +125 °C.

Настройка микросхемы

Настройка микросхемы выполняется после совмещения магнитной системы методом записи параметров преобразования в соответствующие регистры энергонезависимой памяти (EEPROM) микросхемы через цифровой последовательный интерфейс (SPI). Для этого может быть использован конвертер интерфейсов USB/SPI с программным обеспечением производства АО «ЗНТЦ» или аналогичные аппаратно-программные средства, выбранные на основании документации на микросхему.

Функциональные возможности микросхемы

Широкий набор функциональных возможностей микросхемы и гибкость их настроек в сочетании с малыми габаритами и размещением сенсорной системы на кристалле позволяют отечественной разработке достойно конкурировать с импортными аналогами.

- Микросхема выдает код углового положения сразу после подачи напряжения питания, калибровка начального положения магнита не требуется.

- Точность преобразования зависит от диаметра сенсорной системы. Размеры встроенной сенсорной системы ограничены размером корпуса. Для реализации максимальной точности преобразования предусмотрена возможность подключения внешнего синусно‑косинусного сенсора.

- Любое угловое положение магнита может быть задано как нулевое записью ко­да смещения в энергонезависимую память микросхемы или задаваться фронтом внешнего импульса после подачи напряжения питания.

- Изменение направления отсчета угла (направления вращения) задается соответствующим регистром.

- Предусмотрена возможность ограничения значений для кодов верхнего и нижнего углового положения.

- С микросхемой интегрирован встроенный датчик температуры для внешней компенсации температурной зависимости сенсора. Код температуры может быть считан через интерфейс SPI/SSI.

- Многооборотный режим работы обеспечивает циклический реверсивный счетчик числа оборотов с программируемым направлением и модулем счета (до 1024 оборотов). Многооборотный код (22 бит) может быть считан через интерфейс SPI.

- При изменении угла положения ва­ла микросхема может выдавать логический сигнал для считывания нового значения угла положения внешним контроллером. Чувствительность задается настройкой гистерезиса на обратное вращение.

- Микросхема может работать в качестве компаратора угла поворота и выдавать логический сигнал о превышении/уменьшении значения углового ко­да заданного значения.

- Микросхема может работать в режиме пониженного энергопотребления.

- Предусмотрено формирование логических сигналов недостаточности и избыточности уровня магнитного по­ля. Эти сигналы используются для диагностики исправности магнитной системы в особо важных узлах.

- Максимальная скорость считывания вращения магнита при использовании последовательного интерфейса SPI ограничивается его быстродействием и длиной выходного ко­да выбранного режима работы.

- При использовании последовательного интерфейса SSI в выходном 16‑битном ко­де передается только однооборотная угловая информация (до 2775 об./мин).

Микросхема К1382НМ025 применяется: в авиационной промышленности; в датчиках положения в системах управления; в промышленных энкодерах положения (рис. 2).

Рис. 2. Области применения микросхемы К1382НМ025

К конкурентным преимуществам К1382НМ025 можно отнести: однокристальное размещение (сенсора и схемы обработки); электрическую калибровку для упрощения центровки магнита; наличие встроенного программируемого компаратора углового положения; возможность программной привязки нулевого углового положения; широкий набор выходных интерфейсов.

Отладочный комплект

АО «ЗНТЦ» предлагает заказчикам и всем заинтересованным лицам отладочный комплект, который позволяет ознакомиться с технологией настройки параметров аналогового тракта микросхемы под магнитную систему, установленную на плате, а также запрограммировать режимы работы выходных интерфейсов под конкретные требования.

В состав отладочного комплекта входит отладочная плата с установленной микросхемой К1382НМ025 и магнитной системой (рис. 3а), а также уже упомянутый конвертер интерфейсов (рис. 3б) с прикладным программным обеспечением. Все выводы микросхемы выведены на контакты, расположенные по периметру платы, для подключения контрольно‑измерительной аппаратуры. Конвертер и программное обеспечение могут быть использованы и при настройке микросхем в составе серийных изделий.

Рис. 3. Отладочный комплект микросхемы К1382НМ025: а – демонстрационная плата 72 × 80 мм; б – программатор Б‑01 (конвертер интерфейсов USB/SPI)

Более подробная информация о микросхеме К1382НМ025 доступна на сайте компании «Зеленоградский нанотехнологический центр» (АО «ЗНТЦ»).
______________________________
1 Максимальная скорость вращения может быть ограничена быстродействием используемого выходного интерфейса.
2 Возможно использование напряжения питания +3,3 В.

Статья опубликована в журнале «ИСУП»

Статья на сайте журнала >>