xMR傳感器和功能安全

磁阻原理為當(dāng)今機(jī)器和機(jī)器人中常見的編碼器提供了更小、更便宜、更高性能的升級(jí)。較新的傳感器甚至可以在不通電的情況下跟蹤旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)電源打開時(shí)，您不必在再次啟動(dòng)之前實(shí)施歸位程序。在沒有電源的情況下跟蹤旋轉(zhuǎn)似乎是不可能的，但請(qǐng)繼續(xù)閱讀以了解詳細(xì)信息。當(dāng)然，增量式編碼器可以使用減速齒輪來做到這一點(diǎn)，但與集成解決方案相比，機(jī)械部件增加了很多尺寸、重量和不可靠性。

首先，我們來談?wù)勥@些傳感器中使用的各種物理原理：

AMR = 各向異性磁電阻，1857 年發(fā)現(xiàn)

TMR = 隧道磁阻，1975 年發(fā)現(xiàn)

GMR = 巨磁電阻，1998 年發(fā)現(xiàn)

GMR原理僅在1998年被發(fā)現(xiàn)，發(fā)明者于2007年因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。令人印象深刻的是，不到25年后，這個(gè)新原理被用于日常應(yīng)用中的測(cè)量。我不會(huì)試圖解釋這三個(gè)，因?yàn)槲沂且粋€(gè)功能安全專家而不是磁阻專家，但AMR相對(duì)容易解釋。對(duì)于AMR傳感器，載流可磁化導(dǎo)體的電阻會(huì)發(fā)生變化，并且取決于施加的磁場(chǎng)（例如，來自轉(zhuǎn)子軸末端的磁鐵）與電流流動(dòng)方向之間的角度。在 0 度和 180 度時(shí)，電阻最大，在 90 度和 270 度時(shí)，電阻最小。電阻的變化約為3%。

圖1 - AMR傳感器的工作原理

你可以自己研究TMR和GMR，但至少你現(xiàn)在知道這三者之一是如何工作的。

注意 – 我知道CMR（巨大的磁阻），但據(jù)我所知，ADI不使用它。

下圖描述了基于AMR原理的簡(jiǎn)單傳感器。它實(shí)際上由一個(gè)封裝中的兩個(gè)芯片（16 引腳 SOIC）組成——一個(gè)傳感器芯片和一個(gè)儀表放大器芯片。此外，值得注意的是，兩個(gè)AMR橋彼此成45度角。

圖2 - 基于AMR的傳感器及其在傳感系統(tǒng)中的位置的框圖如上所示

傳感器的輸出是兩個(gè)模擬輸出，需要通過一對(duì)ADC進(jìn)行數(shù)字化處理。從功能安全的角度來看，合適的ADC可能是AD7903，它實(shí)際上是一個(gè)封裝中的兩個(gè)芯片。從功能安全的角度來看，模擬輸出很有吸引力，特別是考慮到信號(hào)路徑中沒有多路復(fù)用，因此沒有機(jī)會(huì)混淆信號(hào)。

這些傳感器可以在 180 度范圍內(nèi)測(cè)量絕對(duì)角度。

如果試圖實(shí)現(xiàn)HFT=4571，ADA2-1重復(fù)兩次，包括輸出，應(yīng)該會(huì)有所幫助。高達(dá)150'C的指定溫度范圍意味著這些傳感器可以在最熱的地方使用。

應(yīng)用筆記AN-2500解釋說，傳統(tǒng)編碼器上經(jīng)常用作診斷的半徑檢查在這里也有效。由于信號(hào)沒有多路復(fù)用，因此任何單個(gè)錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤、單個(gè)值看起來正常以及半徑檢查通過，這似乎都不可信。

圖3 - ADA4570診斷應(yīng)用筆記摘錄

鑒于實(shí)現(xiàn)的相對(duì)簡(jiǎn)單性、單芯片解決方案的可靠性和半徑檢查，這些部件是否需要按照安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)并不明顯，至少對(duì)于工業(yè)用途而言。相反，IEC 61508-2：2010 7.4.6.1 中的說明似乎適用于防止引入系統(tǒng)故障模式。

IC和軸端之間沒有接觸，在我桌子上的演示板中，間隙約為1cm。

鑒于我目前的系列博客是關(guān)于機(jī)器人的，我在下面附上了一個(gè)機(jī)器人圖形，顯示在一個(gè)典型的機(jī)器人中，可以使用幾個(gè)這樣的傳感器來直接測(cè)量每個(gè)關(guān)節(jié)的角度。

圖5 - 如果想知道斷電后的位置，可以使用多圈傳感器的位置

注意 – 我以機(jī)器人為例，但顯然這些傳感器也與符合 IEC 61800-5-2 的變速驅(qū)動(dòng)器相關(guān)，以實(shí)現(xiàn) SLS、SLP 等安全功能。

我答應(yīng)談?wù)劧嗳鞲衅?，這些傳感器結(jié)合了GMR和AMR原理。

多圈傳感器的核心是由GMR元件的多根納米線組成的巨型磁阻（GMR）材料螺旋。傳感器的工作原理基于形狀各向異性和在存在外部磁場(chǎng)的情況下在疇壁發(fā)生器中生成疇壁。當(dāng)外部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，疇壁通過連接到疇壁發(fā)生器的狹窄螺旋軌道（納米線）傳播，如下所示。無論IC是通電還是無通電，都會(huì)發(fā)生這種物理效應(yīng)，即使斷電，它們也能跟蹤轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)最終施加功率時(shí)，可以測(cè)量偶極子的位置。

圖6 - GMR傳感器的工作原理

傳感器可以在斷電的情況下跟蹤多達(dá) +/-23 轉(zhuǎn)（+/-8330 度）。對(duì)于使用高齒輪比來權(quán)衡速度與扭矩的機(jī)器人應(yīng)用，這可能還不夠，但要注意未來的發(fā)展。

實(shí)際上，您現(xiàn)在可以在一個(gè)封裝中獲得 3 個(gè)傳感器。

可跟蹤 +/-22 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)傳感器

每180度重復(fù)一次的角度傳感器

象限傳感器，與角度傳感器結(jié)合使用時(shí)，可以跟蹤整個(gè)0至360度

圖 7 - ADMT4000 框圖，顯示了除 ADA4571 的角度傳感器外的轉(zhuǎn)數(shù)和象限傳感器

顯然，除了角度/位置之外，這些傳感器還可以確定速度。通過在每個(gè)軸上進(jìn)行測(cè)量，您可以確定機(jī)器人手臂每個(gè)部分的速度。在機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)中，如果沒有測(cè)量速度并受到安全功能的限制，則必須假設(shè)最壞情況下的速度。

雖然這些磁阻傳感器是新的，但我已經(jīng)檢查了編碼器標(biāo)準(zhǔn)IEC 61800-5-3的功能安全性，并且找不到任何可以困擾這些新傳感器類型的內(nèi)容。但是，我不能說我是IEC 61800-5-3的理想故障檢測(cè)原理的粉絲，這實(shí)際上意味著DC=100%。

目前，多圈傳感器沒有安全認(rèn)證，但正在考慮ASIL D解決方案，這對(duì)于SIL 3 / PL e以下的應(yīng)用也很有用。一旦ISO 3修訂版10218發(fā)布，HFT=1和CAT 3架構(gòu)的強(qiáng)制使用將結(jié)束，這些非接觸式傳感器的高可靠性應(yīng)允許實(shí)現(xiàn)PFHd要求，即沒有高頻交易或CAT要求。

審核編輯：郭婷