摘要
本文概述了目前用於實現真正上電 (True Power-On, TPO) 多圈感測功能的方法，並介紹了一種將重塑工業與車用位置感測市場的簡化新解決方案。無論是否具有磁性系統設計經驗，設計人員都可以使用這個簡化的系統來替代笨重且昂贵的傳統解決方案。
簡介
位置感測器 (Position Sensors) 和編碼器 (Encoders) 在車用和工業應用中無處不在，在這些應用中，自始至終都知道系統的位置是至關重要的。然而，現有位置感測器和編碼器只能提供單圈或 360° TPO 的位置資訊。需要多次旋轉或更寬測量範圍的 TPO 位置資訊的系統，通常會整合備用電源，用於在意外斷電後追蹤並記憶單圈感測器的多次旋轉，或是在關機或斷電期間追蹤多圈運動。或者，可向系統中增設齒輪減速機構，將多次旋轉減少至單圈，並與單圈感測器結合使用，用以查找 TPO 的多圈位置資訊，這些解決方案均昂貴且笨重。並且對於電池備援系統，還需要定期的維護合約。
旋轉編碼器和線性編碼器是應用中使用的關鍵裝置，在這些應用中，系統設計人員需要確保機械系統的位置始終為閉迴路控制 (Closed-loop control) 所知，即使是在正常運作週期的一部分或意外斷電之後。系統設計人員面臨的挑戰是確保即使在斷電後也能獲取 TPO 位置。如果系統狀態遺失，則需要透過一個冗長且往往複雜的過程將系統重置為已知狀態。
傳統解決方案
現代工廠越來越依賴機器人和協作機器人 (Cobots) 來縮短生產週期，並提高工廠吞吐量和效率。與標準機器人、協作機器人和其他自動化組裝設備相關的主要成本和低效的原因之一，是在運作過程中突然斷電後所需重新歸位 (Homing) 並初始化電源的停機時間。由此導致的停機時間和生產力的損失代價高昂，而且運作效率很低。雖然這個問題可以透過備用電池、記憶體和單圈感測器解決，但這些解決方案都有侷限性。電池組的使用壽命有限，需要透過維護/服務合約來管理電池更換。在某些存在爆炸風險的環境中，電池組中可儲存的最大能量是有限的。儲能的減少導致維護週期縮短，必須更頻繁地更換電池。
備用電池的替代方案是使用韋根導線 (Wiegand wire) 能量採集 (Energy harvesting) 模組。這些模組使用經過特殊處理的導線，其外殼磁感矯頑力 (Coercivity) 遠遠高於內芯矯頑力。當磁場旋轉時，不同的矯頑力在元件輸出端產生電壓突波。突波可用於為外部電路供電，並記錄鐵電隨機存取記憶體 (FRAM) 中的圈數。由 ADI 公司開發的磁性多圈記憶體不需要外部電源來記錄外部磁場的旋轉次數。因而可以減小系統尺寸並降低生產成本。
多圈感測器技術
磁性多圈感測器的核心是由巨磁阻 (GMR) 元件的多個奈米線組成的螺旋狀 GMR 材料。感測器的工作原理基於形狀非均向性 (Shape anisotropy) 以及在外部磁場的情況下在磁疇壁生成器 (Domain wall generator) 中生成的磁疇壁。當外部磁場旋轉時，磁疇壁透過附著於磁疇壁生成器的窄螺旋軌道（奈米線）傳播，如圖 1 所示。
圖 1. 多圈工作原理。
圖 2. ADMT4000 多圈感測器方塊圖。
當磁疇壁通過螺旋支腿 (Spiral leg) 結構時，每個螺旋支腿元件的狀態都會發生變化。由於這些元件由 GMR 材料製成，可透過測量其電阻來確定每個元件的狀態。該感測器僅依賴於外部磁場，計算旋轉計數操作不需要額外的備用電源或能量採集技術。當感測器重新上電時，無需進一步的使用者操作或系統重置可直接讀取圈數狀態。
可簡化系統設計的組合技術解決方案
ADMT4000 的頂層方塊圖（如圖 2 所示）將上述 GMR 多圈感測器與高精度 AMR 角度感測器和整合訊號調節 (Signal conditioning) IC 結合，提供一種能夠以 ±0.25° 的典型精確度記錄 46 圈或 16560° 運動的解決方案。整合訊號調節 IC 可進一步增強系統功能以支援諧波校準 (Harmonic calibration)，從而消除應用中因磁性和機械公差所導致的錯誤。ADMT4000 透過 SPI 或 SENT 介面提供絕對的 46 圈（0° 至 16560°）數位輸出。ADMT4000 位於安裝在旋轉軸上的偶極磁鐵 (Dipole magnet) 對面，如圖 3 所示。
圖 3. ADMT4000 典型應用組裝。
ADI 公司正在準備一種磁性參考設計，使幾乎沒有磁性設計能力的使用者能夠在其應用中輕鬆採用 ADMT4000。除了磁芯設計之外，該參考設計還將提供對雜散磁場 (Stray magnetic fields) 的抗擾性 (Immunity) 和穩健性 (Robustness)，使客戶能夠在惡劣環境中部署該感測器。產生雜散磁場的干擾源很多，尤以靠近馬達或致動器 (Actuator) 旁帶電流的導線為甚。
ADMT4000 的功能在許多工業應用中都極具價值，包括發生停電或斷電時的機器人和協作機器人手臂關節位置追蹤（見圖 4）。其他工業應用包括在工業自動化、工具機或醫療設備應用中對 x-y 平台進行絕對和 TPO 追蹤（如圖 5 所示）。其他旋轉到線性應用包括但不限於上電時線圈、捲筒、線軸、捲軸、起重機、絞車和升降機的圈數計算（圖 6）或停電或斷電時的運動追蹤。
圖 4. 機器人/協作機器人應用中的 ADMT4000。
圖 5. 旋轉到線性致動器應用中的 ADMT4000。
圖 6. 拉線編碼器應用。
此外，ADMT4000 提供的 TPO 位置感測對於車用應用而言具有重要價值，包括但不限於變速箱致動器（圖 5）、電動動力方向盤包括線控轉向 (Steer-by-wire, EPS)（圖 7）、停車鎖致動器、其他通用致動器和安全帶捲收器（圖 8）。
圖 7. 線控轉向應用。
圖 8. 安全帶捲收器應用。
ADMT4000 的尺寸、成本和工作溫度範圍使其得到了廣泛應用，包括車用和工業領域的安全關鍵 (Safety-critical) 應用。車用安全關鍵應用符合 ISO 26262 標準和特定的汽車安全完整性等級 (ASIL)。ADMT4000 將作為 ASIL-QM 或 ASIL-B(D) 提供，以適應需要和不需要進階 ASIL 或 SIL 功能的應用。
結論
ADMT4000 和首款整合式 TPO 多圈位置感測器旨在顯著降低系統設計的複雜性和工作量，最終實現尺寸更小、重量更輕、成本更低的解決方案。ADMT4000 的易用性將使無論是否具備磁性設計能力的設計人員均能夠為當前應用添加或改進現有功能，並為許多新應用打開大門。
