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。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。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)用中的測量。我不會試圖解釋這三個(gè)，因?yàn)槲沂且粋€(gè)功能安全專家而不是磁阻專家，但AMR相對容易解釋。對于AMR傳感器，載流可磁化導(dǎo)體的電阻會發(fā)生變化，并且取決于施加的磁場（例如，來自轉(zhuǎn)子軸末端的磁鐵）與電流流動方向之間的角度。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，特別是考慮到信號路徑中沒有多路復(fù)用，因此沒有機(jī)會混淆信號。

這些傳感器可以在 180 度范圍內(nèi)測量絕對角度。

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)的相對簡單性、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的情況下在疇壁發(fā)生器中生成疇壁。當(dāng)外部磁場旋轉(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