Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0059

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0059
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр"
Название доклада
Разработка конструктивно-технологических решений создания микросенсорного интеллектуального магниточувствительного интегрального датчика положения для контроля подвижных узлов современных интеллектуальных робототехнических комплексов на основе микросистемной техники
Докладчик
Прокофьев Георгий
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1) Работа направлена на создание научно-технического задела для создания датчиков углового положения на магнитном принципе определения положения с точностными характеристиками на уровне оптических датчиков (энкодеров) и превосходящих их по надежности в тяжелых условиях эксплуатации.
2) Конечным продуктом, который будет создаваться на основе полученных результатов, являются абсолютные и инкрементальные датчики положения для робототехнических комплексов. В рамках проекта разрабатываются ключевые решения для создания датчиков положения по магнитной технологии.
Актуальность и новизна исследования
Развитие и совершенствование магнитных датчиков положения является актуальной задачей, что подтверждается публикациями в зарубежной печати и темпом совершенствования коммерческих изделий. Основные направления исследований - повышение точностных параметров датчиков и их миниатюризация, в пределе интеграция в однокристальное решение класса "система на кристалле".
Основная цель ПНИ - исследование и разработка научно-технического задела для создания прецизионного магнитного датчика положения с ошибкой преобразования на уровне 16 бит (20"). Создание подобных датчиков на магнитной технологии актуально для замены существующих оптических и индукционных датчиков в связи с их преимуществами в части эксплуатационных характеристик и простоты изготовления (себестоимости).
Описание исследования

В рамках исследований разработаны две микросхемы для датчиков положения для робототехники:
- микросенсорное устройство магниточувствительной системы (МСУ);
- аналого-цифровой специализированный процессор обработки сигнала и вычисления кода положения (АЦСПО);
а также микросенсорный магниточувствительный модуль (датчик положения).

В рамках работы проведены исследования различных конструктивно-технологических решений, определяющих основные параметры разрабатываемых датчиков, в том числе:

- исследование чувствительных элементов Холла и сенсорной системы на их основе;

- исследование и разработка схем обработки сигналов с чувствительных элементов;

- исследование и разработка  решений прецизионного быстродействующего сигма-дельта АЦП с интерполяцией выходного сигнала;

- исследование и разработка дельта-сигма ЦАП;

- исследование и разработка алгоритма и архитектура преобразователя угол-код с высоким разрешением преобразования и предварительной цифровой обработкой сигнала, обеспечивающей коррекцию неидеальностей входного сигнала;

- исследование и разработка конструкции микросенсорного модуля.

МСУ представляет собой магнитный датчик положения с чувствительными элементами на эффекте Холла конструкции типа «On-Axis» и обеспечивает преобразование магнитного поля диаметрально намагниченного цилиндрического магнита в электрический синусно-косинусный сигнал. По результатам измерений полоса пропускания сигнального тракта обеспечивает преобразование на скоростях вращения свыше 120 тыс. об/мин.

МСУ содержит матрицу из восьми элементов Холла, сигналы с которых суммируются по определенному алгоритму. Выходной синусно-косинусный сигнал с МСУ далее поступает на схему обработки в АЦСПО.
АЦСПО представляет собой прецизионный преобразователь синусно-косинусного сигнала в код положения. Преобразователь содержит два прецизионных сигма-дельта АЦП с программируемой полосой пропускания, систему цифровой обработки и коррекции сигнала, прецизионный 16-ти разрядный цифровой следящий преобразователь второго порядка и схему выдачи сигнала по интерфейсу. Микросхема обеспечивает преобразование сигнала с сенсорной системы МСУ в код положения разрешением 65536 отсчетов на оборот. Также для расширения возможности применения в микросхеме интегрирована система поддержки индукционных датчиков типа вращающиеся и линейные трансформаторы, которая включает программируемый синтезатор частоты на основе прямого цифрового синтеза с программируемой частотой в пределах 30Гц-30кГц и блок демодуляции сигнала.

Обе микросхемы разработаны  с использованием КМОП технологии с проектными нормами 180 нм.

Микросенсорный магниточувствительный модуль представляет собой датчик положения с торцевым расположением (датчик типа «On-Axis»). Датчик состоит из платы с расположенными на ней микросхемами МСУ и АЦСПО и магнитной системы.

Для проведения исследований разработанных МСУ, АЦСПО и микросенсорного модуля разработан и изготовлен специализированный стенд.

Результаты исследования

В рамках работы получены решения, имеющую новизну:
1) Разработан алгоритм калибровки и устройство измерения угла на основе мостового магниточувствительного датчика, получен патент РФ №2589755.
2) Разработана архитектура и схемотехника преобразователя сигнала в код положения, подана заявка на изобретение.
3) Разработаны оригинальные топологические решения МСУ, подана заявка на регистрацию топологии ИМС.
4) Разработаны оригинальные топологические решения АЦСПО, готовится к подаче заявка на регистрацию топологии ИМС.
5) Разработаны оригинальные схемотехнические решения АЦП, обеспечивающие аналого-цифровое преобразование с разрешением не менее 16 бит на основе архитектуры сигма-дельта с многоразрядным ЦАП в обратной связи.
6) Разработаны оригинальные схемотехнические решения тракта преобразования сигнала АЦСПО.
7) Проведен анализ применения вейвлет-преобразования для обработки сигналов с датчиков положения, получены оригинальные результаты, опубликована статья.
8) Проведено исследование характеристик горизонтального магниточувствительного транзистора с разделенной областью стока. Исследование произведено путем математического моделирования. Статья опубликована.
9) Проведено исследования алгоритмов интерполяции полиномами высоких степеней в цифровой обработке синусно-косинусного сигнала. Поданы две статьи. Один из алгоритмов реализован в АЦСПО.
10) Разработан алгоритм ускорения сходимости следящего АЦП. Алгоритм планируется использовать при дальнейшем усовершенствовании следящего преобразователя АЦСПО. Подана заявка на изобретение.

По результатам исследований достигнуты целевые значения основные параметров: разрешение преобразования 16 бит, время преобразования АЦСПО 2 мкс без интерполяции и 500 нс с интерполяцией, полоса пропускания тракта МСУ свыше 2 кГц (120 тыс. об/мин), средний ток потребления АЦСПО менее 40 мА, средний ток потребления МСУ менее 15 мА, рабочий диапазон индукции магнитного поля 20-80 мТ, амплитуда выходного сигнала более 0.5В.

Полученные результаты находятся на уровне зарубежных аналогов, включая коммерчески выпускаемые решения такие как AD2S1210 от Analog Devices, iC-TW8 от iC-Haus и AS5047 от AMS.

 

 

Практическая значимость исследования
Разработанные решения найдут применение в таких областях как робототехника, автомобилестроение, станкостроение, электроэнергетике, транспорт, ЖКХ, ОПК. Эффект от внедрения состоит в:
- замене в существующих системах оптических и индукционных датчиков положения (снижение стоимости, повышение надежности);
- создание новых систем с улучшенными характеристиками (особенно в части массогабаритных характеристик и точности преобразования);
- импортозамещение.
Ведущиеся в рамках этапа 5 Соглашения исследования рынка России показали высокую востребованность разработанных решений как на гражданском рынке, так и для ОПК. кроме того разработанные решения имеют хорошую перспективу применения на мировом рынке, в частности на рынках Китая, Индии и других стран Азии, чьи собственные разработки в данной области существенно уступают разработанным решениям.