Avtor: Kristijan Saklamaev
Mentor: izr. prof. dr. Matej Rojc
Somentor: izr. prof. dr. Anton Pleteršek
Zunanji somentor: dr. Matija Podhraški
Program: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika, Smer elektronika
Datum: avgust, 2022
DKUM: KRISTIJAN SAKLAMAEV
Uvod
Magistrsko delo obravnava interpolacijo signalov več tipov AMR senzorjev, ki se v današnji industriji uporabljajo v različnih aplikacijah. Senzorji AMR so brezkontaktne naprave, ki zaznavajo in merijo smer magnetnega polja, kar se lahko uporablja za zaznavanje položaja in vrtenja. V magistrskem delu smo podali princip delovanja AMR senzorjev, primerjavo različnih izvedb AMR senzorjev in primerjalno analizo z drugimi vrstami magnetnih senzorjev. Podajamo razlago in primer številnih vplivov na točnost merjenja v funkcionalnem sistemu (odmik, temperatura, histereza, amplituda, ojačenje itd.). Senzor je lahko pasivni element ali aktivna elektronska naprava, ki generira izhodni signal ob zaznavanju fizičnega pojava. Ko senzor zazna spremembo v okolju, pošlje digitalni ali analogni signal drugim komponentam vezja. Danes je na trgu na voljo več vrst senzorjev različnih proizvajalcev, vsaka ima svoje prednosti in slabosti. Med najpogostejšimi vrstami so optični senzorji, temperaturni senzorji, magnetni senzorji, taktilni senzorji itd. V tem delu se bomo osredotočili le na magnetne senzorje oziroma senzorje, ki zaznavajo prisotnost magnetnega polja. Obstaja veliko različnih vrst magnetnih senzorjev, med katerimi je tipičen Hallov senzor, ki temelji na delovanju Lorentzove sile na električni tok v prisotnosti magnetnega polja. Največja prednost magnetnih senzorjev je njihova zmožnost delovanja v zahtevnih okoljih ob ohranjanju visoke stopnje točnosti. To pomeni, da magnetni senzorji za učinkovito delovanje ne potrebujejo fizičnega dotika, kar je ena od številnih prednosti teh tipov senzorjev. Magnetni senzorji se pogosto uporabljajo kot del sistemov ki zaznavajo položaj in kot zasuka. Obravnavali različne magnetorezistivne pojave, kot so GMR, TMR in drugi. Poudarek je na AMR pojavu, kakor tudi na senzorjih, ki temeljijo na tem pojavu. Analizirali smo tipičen AMR senzor SM2L, ter nekaj razvojnih vzorcev podjetja RLS. Za analizo vpliva različnih dejavnikov na pogrešek, je bila izvedena vrsta meritev, s katerimi smo potrdili pričakovane vplive.
Dajalniki položaja in uporaba za aplikacije
Dajalnik je naprava, ki pretvarja podatke iz enega formata v drugega. Dajalnik zazna mehanske premike in jih pretvori v analogni ali digitalno kodiran izhodni signal za zaznavanje položaja. Hitrost, pospešek in smer je mogoče izpeljati iz položaja v linearnem ali rotacijskem gibanju. Obstajajo različne vrste dajalnikov, ki jih lahko ločimo glede na princip delovanja, namen ali kompleksnost. MR (magnetorezistivni) senzor je sestavljen iz upora, oblikovanega iz magnetno občutljive zlitine, kot je npr. nikelj-železo (NiFe). Magnetne domene v NiFe so obremenjene z zunanjim magnetnim poljem, kar zmanjša upornost materiala. Upor se nato hitro normalizira, ko se polje odstrani, zaradi česar je uporabno orodje za merjenje magnetnih polj (v aplikacijah, kot je branje pri trdih diskih). MR dajalnik je sestavljen iz ohišja z nizom litografsko oblikovanih tankoslojnih uporov in IC vezjem, postavljen na gredi motorja z izmeničnimi magnetnimi domenami.
Različni načini interpolacije signalov AMR senzorjev
Pogonski krmilniki danes zahtevajo magnetne ali optične senzorje položaja visoke ločljivosti za nadzor hitrosti ali določanje položaja, kar zahteva uporabo posebnih integriranih vezij za prilagajanje signala senzorja in sinusno/kosinusno-digitalno pretvorbo. Analizirali smo metode in probleme »interpolacije« z uporabo sinusno/kosinusno-digitalne pretvorbe (A/D pretvorba), merilne napake, povezane s senzorji, in kako jih kompenzirati, ter predstavili najnovejše polprevodniške rešitve in njihovo izbiro. Interpolacija je odgovorna za nelinearno A/D pretvorbo (zaradi fizikalne nepravilnosti) sinusnih/kosinusnih signalov v kotne korake, ki se prikažejo postopoma kot kvadraturni signal ali kot absolutna podatkovna beseda, ki predstavlja fazo sinusnega signala kota.
Zasnova interpolatorja, analiza in razvoj SOC
Referenčni blok z natančno določenimi lastnostmi je eden najbolj kritičnih gradnikov v visokozmogljivih vezjih. Ker ta vezja vsebujejo veliko število pasivnih in aktivnih komponent, na njihovo delovanje ne smejo vplivati proces, napajalna napetost ali temperaturna nihanja (angl. PVT – Process, Voltage, Temperature). Naprave, ki niso občutljive na PVT variacije, se lahko uporabljajo v različnih okoljih in v različnih aplikacijah. Referenčni blok, ki ga predstavljamo v tem poglavju je mogoče najti v vsaki integrirani elektronski napravi (angl. SoC). Ko govorimo o referenčnem bloku, mislimo vezje, ki ne glede na nihanja napajalne napetosti ali temperature oddaja stabilno ali natančno določeno referenčno napetost ali tok. Napetostna referenca se uporablja kot vhod v analogno-digitalnih pretvornikih, primerjalnikih ali raznih ojačevalnikih, kar so – v našem primeru – tudi vsi sestavni deli omenjenega interpolatorja. Dobra napetostna referenca je pomembna za interpolator, saj z njo zagotavljamo stabilizacijo parametrov interpolatorja.
Integracija procesorskega jedra v NFC vmesnik