如何實現斷電后的不間斷位置追蹤？

電子發燒友網報道（文/李寧遠）在任何場景的位置傳感應用里，位置傳感器和編碼器可以說是無處不在。不論是工業自動化設備的實時控制還是汽車的實時定位，現代設備依靠這些傳感持續提供系統位置數據，而且越來越需要設備在斷電情況下這些位置數據仍然能保持不間斷。

位置信息的不間斷輸出

為了保證位置數據不中斷，目前最常見的辦法是利用位置傳感器或編碼器提供某個角度范圍的真正通電的位置信息（True Power-On）。想要得到更寬的測量范圍的TPO位置信息，系統需要使用一個備用電源來跟蹤和記憶意外斷電后單個傳感器的多次旋轉或跟蹤多個轉彎運動。也可以在設備中加齒輪減速，將多次旋轉減速到單匝進行檢測，再找到TPO多匝位置信息。

備用電源加內存加單匝傳感的方案成本還是很高的，雖然這種辦法的確解決了斷電情況下位置信息的通電持續輸出，但是設計起來也比較復雜。其原理無外乎利用備用電源或者其他模塊產生的電壓峰值為外部電路供電，記錄下FRAM中的匝數信息實現TPO位置輸出。不管如何，使用外部功率來記錄的方法既增加了系統規模也提升了成本。

如果不需要外部功率來記錄外部磁場的旋轉次數，那系統規模和成本就能大大減少，位置傳感設計上也能簡化不少。

TPO磁性位置傳感應用

從基于霍爾效應的磁傳感器，到基于各向異性磁阻效應的磁傳感器AMR傳感，還有基于巨磁阻的GMR傳感，還有基于隧道磁阻的TMR傳感，這些是位置傳感的核心技術。

舉例來說，基于磁阻效應的TPO多匝磁位置傳感器由多個磁阻效應元件納米線組成的螺旋組成，在外部磁場的旋轉變化下，位置狀態可以通過測量電阻來確定。這種位置數據收集，僅僅依賴于外部磁場，匝數記錄操作不需要額外的備用電源或者其他能提供電壓的能量收集技術。斷電狀態結束，重新向傳感器供電時可以讀出旋轉計數狀態，不需要額外的復位等其他操作。

相比于其他位置傳感技術，霍爾效應位置傳感在工業自動化應用里肯定是最多的那一類選擇。TPO霍爾傳感也是位置檢測中常見的一類傳感。這類TPO霍爾傳感，需要優化的絕對精確計時步進大小來確保從TPO狀態到運轉模式的平滑過渡。TPO霍爾傳感通常帶有經優化的定制磁路減少磁鐵不良影響和系統偏差，用以響應鐵磁體目標生成的磁信號從而進行開關。

不論具體采用了何種技術手段實現TPO，這種具有真通電狀態的位置傳感顯著降低自動化設備斷電時位置檢測系統設計的復雜性和工作量，成本上也能做得更低。在任何對運控、位置檢測有高性能要求的系統里，TPO的實現提升了位置傳感的性能上限。

幾種TPO位置傳感器

TPO霍爾傳感

霍爾傳感挑選的是Allegro的真通電狀態傳感器ATS系列，包含霍爾元件、永磁體和電子電路，該系統霍爾元件采用光刻技術校準，精度好于1μm。傳感器可以在絕對零速下工作并提供TPO信息。精確的計時步進大小確保了從TPO狀態到運轉模式的平滑過渡，先進的數字電路設計保證了器件對磁過沖和峰值間值變化導致信號異常的高容忍度。
磁阻效應TPO位置傳感
上圖是ADI推出的TPO多匝位置傳感器ADMT4000，結合了GMR傳感、AMR傳感和集成信號調節IC。在信號調節IC的增強下，磁性誤差和機械公差誤差被消除，傳感器能夠提供±0.25°精度水平下最多46轉的位置記錄。即便是在靠近電機使用時，器件也表現出了極高的對雜散磁場的免疫能力。

小結

在工業場景中，斷電后機器人或其他自動化設備都需要繼續跟蹤位置信息，不管是旋轉應用還是線性應用，都需要不間斷的位置傳感來收集工廠級數據進而提升運控系統性能。汽車應用中TPO位置檢測的應用同樣如此。集成TPO的位置傳感器將以往需要外部功率支持的方案大大簡化，既降低了系統設計的復雜性也降低了成本，可以更輕松地實現真正通電狀態下不間斷的位置追蹤。