方案 | 人形机器人关节精准控制的多圈传感方案

多圈传感器ADMT4000的设计

位置传感器和编码器的应用无处不在，但现有解决方案提供的要么是单圈或360°位置信息，要么需要和其它传感器配合造成系统体积笨重，存在不易维修等问题。ADI发布的ADMT4000正好解决了行业痛点。

工作原理

市场应用产品概述

ADMT4000是ADI率先发布的单芯片多圈位置传感器，绝对测量范围为46圈，整个测量范围内达到0.25度的精度。借助于这种新的多圈技术，省去了与单圈传感器结合使用的备用电池或机械齿轮，也可以免去线性执行器中的线性传感器。此外，对于未采用传统笨重机械多圈编码器的系统，这种传感器无需在上电时重新归位或重新校准。

本文介绍了现有方案的弊端，阐述了新型多圈技术及ADMT4000产品工作原理，分析了如何将这款传感器融入到编码器或执行器系统的设计中，提供了解决措施以确保这款传感器在恶劣环境下保持稳健可靠的工作。ADMT4000旨在帮助客户简化编码器或执行器的设计，减小尺寸和重量，同时降低整体解决方案的成本。

角度传感器类别

当今市场上角度传感器种类较多，如图1示例，有磁式、光学式、电感式、旋变器式等传感器。霍尔传感器基于磁效应、XMR 系列传感器有AMR、GMR和TMR传感器，他们通常对磁场方向的变化很敏感。但遗憾的是，所有这些传感器的绝对测量范围都只有单圈，即360度，AMR传感器是个例外，它的信号以180度为周期进行重复，绝对测量范围是半圈，即180度。

若客户想要进行超过一圈的绝对测量，非接触式是当前可行的实现方法。图2示例了四种解决方案，前三种是传统解决方案，第四种是受市场欢迎的简化新解决方案：

第一种是齿轮减速机构，它与偶极磁铁上的单圈传感器结合使用，这样即可缩小整圈计数范围。……（详尽介绍请见PDF文档）

第二种方案是将备用电池、存储器与单圈传感器结合使用，存储器用来保存位置信息，单圈传感器带偶极磁铁。……（详尽介绍请见PDF文档）

第三种方法是使用备用电池的替代方案，即能量收集模块 Weigand传感器，它需要与单圈传感器及FRAM芯片结合使用。……（详尽介绍请见PDF文档）

第四种方法是图2最右侧示例的ADMT4000，单芯片多圈角度检测IC，小巧、紧凑，消除了上述其他系统的所有缺点，具有出色的稳健性和精度。

以上所述有助于我们对ADMT4000如何简化编码器或执行器的设计有个直观的了解。

ADMT4000的市场应用

ADMT4000为很多工业应用带来显著价值，包括线性执行器、旋转执行器、机器人/协作机器人/人形机器人、起重机/吊车/升降机、汽车安全带、汽车线控转向等。

线性执行器：线性执行器中通常有个电机用于驱动丝杠，进而驱动模块、砖盘或X-Y工作台做直线运动。通常情况下，现行系统中需要线性位置传感器或线性传感器来跟踪模块或X-Y平台的运动，ADMT4000能够间接测量这种运动。

旋转执行器：许多旋转执行器会旋转多圈，一般是在输出侧放置一个单圈传感器，或者在输入侧放置备用电池和存储芯片来记录和监控圈数，这样当重新通电时就可以知道绝对位置。ADMT4000 则是这个应用的很好示例，可以大幅简化执行器，既可以用作具有360度功能的电机换相传感器，也可以用作绝对输出角度传感器。

机器人/协作机器人/人形机器人：这些机器人系统的每个关节执行器中通常配有齿轮减速，都需要一个与前所述类似的执行器。ADMT4000不仅可以缩小执行器尺寸，让终端用户能够构建更紧凑的系统，而且消除了重新归位和重新校准整个系统的麻烦。……（详尽介绍请见PDF文档）

起重机、吊车、升降机……：在拉线编码器、起重机、吊车、升降机、卷扬机等应用中，ADMT4000同样带来了显著优势：无需通电即可测量起重机直线运动，也不需要备用电池或传动装置

汽车安全带：ADMT4000在汽车安全带、安全带卷收器等一些汽车应用也备受关注，为安全带系统带来了额外的功能。

汽车线控转向：线控转向系统中，方向盘和车轴之间没有机械耦合，无法再依赖转向角度传感器来获取车轮角度信息，因此需要在车轴处放入一个测量系统。ADMT4000能够大大简化这个系统，它可以位于电机轴的末端，在电机换相的同时提供转向角度信息因为可以知道角度信息和多圈信息。

图3. ADMT4000应用示例

ADMT4000产品概述

ADMT4000这款传感器由GMR多圈传感器、高精度AMR角度传感器和信号调理ASIC组成，其中GMR上带有象限传感器，ASIC接收来自多圈传感器、象限传感器和AMR角度传感器的输入，并对这些信号进行必要的信号处理，如片内校准和谐波校准校正，检查系统中的机械误差等。此外，磁体本身的任何问题都可以通过重新校准消除。通过校准技术，实现了±0.25°的精度，传感器是46 圈，所以它完整的绝对测量范围是46圈。……（详尽介绍请见PDF文档）

图4示例了ADMT4000器件剖面图及简易设计框图，带有SPI接口，工作温度范围是-40°~125°，采用24引脚TSSOP封装。目前正在开展汽车应用认证方面的工作，完成认证后将会发布车用版本。

ADMT4000虽然在杂散场中表现稳健，但和目前市场上的任何磁传感器一样如果环境恶劣且存在强杂散场则可能受损，因此建议使用磁屏蔽。ADI开发了磁性参考设计，采用的是自带屏蔽的磁体，同时还开发了PCB屏蔽，位于PCB上与传感器相对的一侧，图5给出示例。

在存在杂散场的情况下进行抗扰度测试，在进行，图6示例了 5mm杂散场下磁性能测试时的屏蔽效能。若只把PCB屏蔽放在系统上，移除杂散场的效率约为45%；若单独添加磁屏蔽而没有 PCB屏蔽的话，效率为55%左右；若同时添加磁屏蔽和PCB屏蔽两种屏蔽，那么移除杂散场的效率接近90%。

ADI也会向客户提供设计图纸，图纸提供了可接受的公差，包括终端应用容许的轴向和径向公差，这些工具可以帮助客户设计稳健的磁体。

生产线应用中若部署了ADMT4000，建议对传感器进行磁复位，请注意，此复位是一次性操作。如果传感器在运输或组装搬运过程中损坏，建议对其进行复位。通常情况下，系统初次启动时为了让整体系统校准到位，必须先对传感器进行复位。

有两种方法可以对传感器进行复位：

方法一是将它超量旋转完成复位，如果顺时针转动46圈以上，螺旋中的任何错误都会被消除，这将确保传感器复位到46圈。若将传感器转动100次，它会停留在46圈，即最大圈数。

方法二是施加超过55mT的磁场，可以将传感器暴露在外部磁铁下，甚至可以让系统磁体非常靠近传感器，这种方法具体要取决于设计，但这样做足以完成复位。另外一种措施是在PCB 上放置一个小线圈，如图7显示。

为了帮助设计者更好的了解和使用ADMT4000，ADI网站提供了数据手册、评估板链接、订购信息、软件驱动程序、视频链接及有关这项技术的技术文章。……（详尽列举请见PDF文档）

总结

ADMT4000是ADI率先发布的单芯片多圈位置传感器，旨在显著降低系统设计的复杂性和工作量，最终实现尺寸更小、重量更轻、成本更低的解决方案。

它取代了其他笨重的机械解决方案，取代了与单圈传感器结合使用的线性传感器、机械传动装置和备用电池，因此工厂的停机时间显著减少，系统在通电时无需重新校准和重新归位。