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適用于工業(yè)和交通市場(chǎng)的電感式位置傳感器

發(fā)布時(shí)間:2024-04-19 責任編輯:lina

【導讀】隨著(zhù)各行各業(yè)自動(dòng)化程度的提高,運動(dòng)控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅動(dòng)電機,描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而,實(shí)現這種感測的技術(shù)有多種,每種技術(shù)都有不同的特點(diǎn)和應用場(chǎng)景。

  

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

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

位置感測應用

為了提高精度、提升良率并降低運營(yíng)成本,許多原來(lái)需要手動(dòng)操作的流程都實(shí)現了自動(dòng)化,這使得位置感測應用迅速增長(cháng)。實(shí)際上,只要存在某種形式的運動(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(chǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域取得許多進(jìn)步。機器人技術(shù)越來(lái)越普及,實(shí)現了全天候“無(wú)人”操作,而且不會(huì )疲勞或犯錯誤——這就要求每個(gè)運動(dòng)軸都配備一個(gè)傳感器。在傳統工廠(chǎng)中與人類(lèi)一起工作的“協(xié)作機器人”也是如此。

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

在工廠(chǎng)以外的場(chǎng)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療設備。另外,機器人現在能夠做手術(shù),這同樣需要非常精確的控制。

在交通運輸領(lǐng)域,每一種應用都涉及到運動(dòng)。無(wú)論是火車(chē)、農用機械、建筑機械等傳統交通工具,還是倉儲中的自主移動(dòng)機器人 (AMR) 和成千上萬(wàn)的無(wú)人機等新興應用,都需要位置感測。

隨著(zhù)所有驅動(dòng)方式(內燃機 (ICE)、純電驅動(dòng) (EV) 和混合動(dòng)力)的乘用車(chē)都在向電氣化方向發(fā)展,機械控制方案正在被“線(xiàn)控驅動(dòng)”和“線(xiàn)控轉向”等系統所取代。為了使這些系統正常運作,必須將油門(mén)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(pán)的位置信息傳送給轉向控制系統。

隨著(zhù)電子控制擴展到車(chē)輛操作的幾乎所有方面,位置感測技術(shù)也廣泛應用于懸掛組件(用于調平/行駛控制)、動(dòng)力總成以及電動(dòng)車(chē)窗、天窗、門(mén)鎖等方面。

位置感測技術(shù)比較

旋轉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)和應用場(chǎng)景。

光學(xué)編碼器通常被認為是最準確的(盡管并非所有情況下都是如此),其工作原理是讓光穿過(guò)帶孔的圓盤(pán),在圓盤(pán)旋轉時(shí),利用光脈沖來(lái)檢測運動(dòng)。


適用于工業(yè)和交通市場(chǎng)的電感式位置傳感器圖 1:旋轉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(lèi)器件用于需要極高精度的應用,例如精密機器人以及數控車(chē)床或激光切割機等機床。雖然它們精度高且對磁場(chǎng)不敏感,但易受圓盤(pán)上的振動(dòng)和污垢影響,這些因素可能會(huì )導致它們失效。

磁性編碼器往往精度較低,主要用于對成本非常敏感的應用。它們在存在振動(dòng)和污染的情況下表現良好,但外部磁場(chǎng)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(chǎng)不敏感。其他優(yōu)點(diǎn)包括:可重復性好,對溫度不敏感,器件數量少,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(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單而創(chuàng )新的 PCB 盤(pán),實(shí)現了出色的非接觸式位置精度,精度優(yōu)于 +50 角秒或者機械旋轉 0.0138 度。一個(gè) PCB 固定在電機定子(靜止部分)上,而另一個(gè)單層 PCB 固定在轉子或軸上。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(雙)導電走線(xiàn)或線(xiàn)圈印刷在兩個(gè)盤(pán)面上。第三條導電跡線(xiàn)稱(chēng)為勵磁線(xiàn)圈,印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵磁線(xiàn)圈發(fā)送 4MHz 正弦波,使定子勵磁線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)。根據法拉第互感定律,轉子的粗細走線(xiàn)線(xiàn)圈與電磁場(chǎng)相交,將能量耦合到轉子線(xiàn)圈中,形成渦流。

同時(shí),定子的粗細線(xiàn)圈連接最多八個(gè) NCS32100 接收器輸入。當轉子旋轉時(shí),轉子的渦流會(huì )干擾定子接收線(xiàn)圈。NCS32100 通過(guò)其內部 DSP(數字信號處理器)的專(zhuān)有算法處理這些干擾,從而測量出轉子位置。


適用于工業(yè)和交通市場(chǎng)的電感式位置傳感器圖 2:雙電感技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單方案提供高性能


采用40mm PCB 傳感器,NCS32100 能在 6,000 RPM 轉速時(shí)實(shí)現 ±50 角秒的位置精度,在犧牲些許精度的情況下,轉速高達 45,000 RPM。采用更大的 PCB 傳感器或讓轉子與定子精確對準,可以實(shí)現 +/- 10 角秒以?xún)鹊母呔取?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
這種簡(jiǎn)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(chǎng)完全不敏感。

雙電感技術(shù)集成方案

安森美的 NCS32100 支持設計用于工業(yè)應用和環(huán)境的高精度旋轉位置傳感器。它是一款絕對位置器件,無(wú)需運動(dòng)即可確定位置。NCS32100 還能夠在高達 45,000 RPM 的轉速下計算轉速。

在高達 6,000 RPM 的轉速下,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部溫度傳感器。

NCS32100 內置的校準例程允許傳感器通過(guò)單個(gè)命令實(shí)現自校準,此過(guò)程只需兩秒鐘。它不需要參考編碼器,只要轉子轉速在100 到 1000 RPM 之間,,該程序就可以隨時(shí)運行。所有校準系數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(pán)、定子 PCB 和 LED 驅動(dòng)器 PCB,實(shí)現全部功能需要大約 100 個(gè)器件。


適用于工業(yè)和交通市場(chǎng)的電感式位置傳感器圖 3:雙電感技術(shù)在精度上可媲美光學(xué)技術(shù),而復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(chē)應用中,雖然成本和可靠性很重要,但安全性更是至關(guān)重要,尤其是在轉向或剎車(chē)等應用中。安森美的汽車(chē)級絕對位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標準,專(zhuān)門(mén)針對這些關(guān)鍵應用場(chǎng)景而設計。NCV77320 的位置精度為 194.3 角秒或機械旋轉 0.0539 度(具體取決于 PCB 幾何形狀),主要是因為它只有 3 個(gè)接收器輸入,而 NCS32100 有 8 個(gè)接收器輸入,并且 NCV77320 不支持粗細線(xiàn)圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作為旋轉編碼器或線(xiàn)性編碼器運行。

NCV77320 的應用包括制動(dòng)踏板傳感器、油門(mén)踏板傳感器、電機位置傳感器、制動(dòng)系統傳感器、車(chē)輛水平傳感器、變速箱擋位傳感器、油門(mén)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(chǎng)干擾不敏感,并且可用于環(huán)境溫度范圍為 -40oC 至 +150oC 的汽車(chē)環(huán)境。

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

總結

隨著(zhù)自動(dòng)化日益普及,人們對旋轉電機位置感測的需求越來(lái)越大。目前有多種技術(shù)可實(shí)現此功能,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(chǎng)干擾。

電感技術(shù)日益受到青睞,而且隨著(zhù)雙電感傳感器的出現,現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。

(來(lái)源:安森美,作者:Bob Card,安森美先進(jìn)方案部 (ASG) 營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理


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