【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)。
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。
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。
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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