適用于工業(yè)和交通市場的電感式位置傳感器

隨著各行各業(yè)自動(dòng)化程度的提高，運(yùn)動(dòng)控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而，實(shí)現(xiàn)這種感測的技術(shù)有多種，每種技術(shù)都有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場景。

本文將比較不同的旋轉(zhuǎn)感測技術(shù)，并討論選擇它們的原因。然后，我們將了解市場上的一些最新器件。

位置感測應(yīng)用

為了提高精度、提升良率并降低運(yùn)營成本，許多原來需要手動(dòng)操作的流程都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，這使得位置感測應(yīng)用迅速增長。實(shí)際上，只要存在某種形式的運(yùn)動(dòng)，就需要有傳感器向控制器提供位置信息。

工業(yè) 4.0 推動(dòng)工業(yè)市場在自動(dòng)化領(lǐng)域取得許多進(jìn)步。機(jī)器人技術(shù)越來越普及，實(shí)現(xiàn)了全天候“無人”操作，而且不會(huì)疲勞或犯錯(cuò)誤——這就要求每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都配備一個(gè)傳感器。在傳統(tǒng)工廠中與人類一起工作的“協(xié)作機(jī)器人”也是如此。

如今，許多零部件都是通過機(jī)器制造的——有的使用數(shù)控 (CNC) 機(jī)床，有的使用激光切割機(jī)，還有的使用 3D 打印機(jī)。這些機(jī)器都有活動(dòng)部件，需要精確的位置控制才能滿足質(zhì)量目標(biāo)。零部件加工好后，通常會(huì)通過自動(dòng)化物料搬運(yùn)或傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸，這也需要位置感測功能。

在工廠以外的場合，很多地方也需要位置控制，比如那些可以移動(dòng)患者或掃描儀的大型醫(yī)療設(shè)備。另外，機(jī)器人現(xiàn)在能夠做手術(shù)，這同樣需要非常精確的控制。

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，每一種應(yīng)用都涉及到運(yùn)動(dòng)。無論是火車、農(nóng)用機(jī)械、建筑機(jī)械等傳統(tǒng)交通工具，還是倉儲中的自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和成千上萬的無人機(jī)等新興應(yīng)用，都需要位置感測。

隨著所有驅(qū)動(dòng)方式（內(nèi)燃機(jī) (ICE)、純電驅(qū)動(dòng) (EV) 和混合動(dòng)力）的乘用車都在向電氣化方向發(fā)展，機(jī)械控制方案正在被“線控驅(qū)動(dòng)”和“線控轉(zhuǎn)向”等系統(tǒng)所取代。為了使這些系統(tǒng)正常運(yùn)作，必須將油門踏板（加速器）的位置信息傳送給電子控制單元(ECU)，或者將方向盤的位置信息傳送給轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。

隨著電子控制擴(kuò)展到車輛操作的幾乎所有方面，位置感測技術(shù)也廣泛應(yīng)用于懸掛組件（用于調(diào)平/行駛控制）、動(dòng)力總成以及電動(dòng)車窗、天窗、門鎖等方面。

位置感測技術(shù)比較

旋轉(zhuǎn)位置感測主要使用三種技術(shù)——光學(xué)、磁性和電感技術(shù)，每種技術(shù)都有各自不同的工作模式、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和應(yīng)用場景。

光學(xué)編碼器通常被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的（盡管并非所有情況下都是如此），其工作原理是讓光穿過帶孔的圓盤，在圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用光脈沖來檢測運(yùn)動(dòng)。

圖1 旋轉(zhuǎn)位置感測的主要方法包括光學(xué)、磁性和電感技術(shù)

通常，這類器件用于需要極高精度的應(yīng)用，例如精密機(jī)器人以及數(shù)控車床或激光切割機(jī)等機(jī)床。雖然它們精度高且對磁場不敏感，但易受圓盤上的振動(dòng)和污垢影響，這些因素可能會(huì)導(dǎo)致它們失效。

磁性編碼器往往精度較低，主要用于對成本非常敏感的應(yīng)用。它們在存在振動(dòng)和污染的情況下表現(xiàn)良好，但外部磁場會(huì)對其造成明顯的影響，這限制了它們的適用范圍。

電感式編碼器精度優(yōu)于磁性編碼器，能夠承受較高程度的振動(dòng)和污染，而且對磁場不敏感。其他優(yōu)點(diǎn)包括：可重復(fù)性好，對溫度不敏感，器件數(shù)量少，尺寸小，并且不需要稀土材料（即磁體）。

NCS32100雙電感位置傳感器

安森美(onsemi)的 NCS32100 雙電感位置傳感器通過兩個(gè)簡單而創(chuàng)新的 PCB 盤，實(shí)現(xiàn)了出色的非接觸式位置精度，精度優(yōu)于 +50 角秒或者機(jī)械旋轉(zhuǎn) 0.0138 度。一個(gè) PCB 固定在電機(jī)定子（靜止部分）上，而另一個(gè)單層 PCB 固定在轉(zhuǎn)子或軸上。兩個(gè) PCB 平行放置，中間以 0.1mm 至 2.5mm 的氣隙分隔。NCS32100 位于定子 PCB 上。

粗細(xì)（雙）導(dǎo)電走線或線圈印刷在兩個(gè)盤面上。第三條導(dǎo)電跡線稱為勵(lì)磁線圈，印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵(lì)磁線圈發(fā)送 4MHz 正弦波，使定子勵(lì)磁線圈周圍產(chǎn)生電磁場。根據(jù)法拉第互感定律，轉(zhuǎn)子的粗細(xì)走線線圈與電磁場相交，將能量耦合到轉(zhuǎn)子線圈中，形成渦流。

同時(shí)，定子的粗細(xì)線圈連接最多八個(gè) NCS32100 接收器輸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的渦流會(huì)干擾定子接收線圈。NCS32100 通過其內(nèi)部 DSP（數(shù)字信號處理器）的專有算法處理這些干擾，從而測量出轉(zhuǎn)子位置。

圖2 雙電感技術(shù)通過簡單方案提供高性能

采用40mm PCB傳感器，NCS32100能在6,000 RPM轉(zhuǎn)速時(shí)實(shí)現(xiàn)±50角秒的位置精度，在犧牲些許精度的情況下，轉(zhuǎn)速高達(dá) 45,000 RPM。采用更大的 PCB 傳感器或讓轉(zhuǎn)子與定子精確對準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)+/- 10角秒以內(nèi)的更高精度。

這種簡單方案只需使用少量電子器件，從而確保尺寸小巧且成本低廉。此外，它還對溫度波動(dòng)、污染和外部磁場完全不敏感。

雙電感技術(shù)集成方案

安森美的 NCS32100 支持設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境的高精度旋轉(zhuǎn)位置傳感器。它是一款絕對位置器件，無需運(yùn)動(dòng)即可確定位置。NCS32100 還能夠在高達(dá) 45,000 RPM 的轉(zhuǎn)速下計(jì)算轉(zhuǎn)速。

在高達(dá) 6,000 RPM 的轉(zhuǎn)速下，NCS32100提供了 ±50 角秒的完整精度，可與許多光學(xué)編碼器的性能相媲美。該器件還集成了 Arm^? Cortex^? M0+ MCU，提供高度可配置性和內(nèi)部溫度傳感器。

NCS32100 內(nèi)置的校準(zhǔn)例程允許傳感器通過單個(gè)命令實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)，此過程只需兩秒鐘。它不需要參考編碼器，只要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在100 到 1000 RPM 之間，，該程序就可以隨時(shí)運(yùn)行。所有校準(zhǔn)系數(shù)都存儲在非易失性存儲器 (NVM) 中。

典型光學(xué)方案總共需要三塊 PCB——光學(xué)圓盤、定子 PCB 和 LED 驅(qū)動(dòng)器 PCB，實(shí)現(xiàn)全部功能需要大約 100 個(gè)器件。

圖3 雙電感技術(shù)在精度上可媲美光學(xué)技術(shù)，而復(fù)雜性和成本比后者更低

相比之下，基于 NC32100 的方案僅需要兩塊 PCB：轉(zhuǎn)子是不含任何器件的單層 PCB，而定子 PCB 僅包含 12 個(gè)器件。

在汽車應(yīng)用中，雖然成本和可靠性很重要，但安全性更是至關(guān)重要，尤其是在轉(zhuǎn)向或剎車等應(yīng)用中。安森美的汽車級絕對位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)，專門針對這些關(guān)鍵應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)。NCV77320 的位置精度為 194.3 角秒或機(jī)械旋轉(zhuǎn) 0.0539 度（具體取決于 PCB 幾何形狀），主要是因?yàn)樗挥?3 個(gè)接收器輸入，而 NCS32100 有 8 個(gè)接收器輸入，并且 NCV77320 不支持粗細(xì)線圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作為旋轉(zhuǎn)編碼器或線性編碼器運(yùn)行。

NCV77320 的應(yīng)用包括制動(dòng)踏板傳感器、油門踏板傳感器、電機(jī)位置傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)傳感器、車輛水平傳感器、變速箱擋位傳感器、油門位置傳感器和廢氣再循環(huán)閥傳感器。

與 NCS32100 一樣，NCV77320 對污染、溫度變化和磁場干擾不敏感，并且可用于環(huán)境溫度范圍為 -40oC 至 +150oC 的汽車環(huán)境。

NCV77320 能夠以高達(dá) 10,800 RPM 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并通過 SENT、SPI 或模擬接口與配套 MCU 進(jìn)行通信。

總結(jié)

隨著自動(dòng)化日益普及，人們對旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置感測的需求越來越大。目前有多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)此功能，包括光學(xué)、磁性和電感技術(shù)。光學(xué)技術(shù)精度高，但價(jià)格昂貴且容易受污染影響。磁性技術(shù)成本低，但容易受磁場干擾。

電感技術(shù)日益受到青睞，而且隨著雙電感傳感器的出現(xiàn)，現(xiàn)在能夠打造既具備光學(xué)級精度而又更具成本效益的傳感器。