【導讀】在運動(dòng)感知方面，比如追蹤機械臂的位置和運動(dòng)速度，已經(jīng)有很多基于光學(xué)或磁性傳感的解決方案。然而，這些現有的檢測技術(shù)難以將高精度與抗污染能力相結合。相反，電感式檢測技術(shù)正逐漸成為一種更優(yōu)的解決方案，它為多種工業(yè)應用提供了可靠且強大的位置感知能力，并兼具精度和適應性。在本文中，我們將探討在對卓越性能和耐用性需求的推動(dòng)下，電感式傳感器的應用日益廣泛，并將討論如何簡(jiǎn)化它們在自動(dòng)化系統中的集成。
機器人和協(xié)作機器人（cobots）能力的提高，意味著(zhù)它們在工廠(chǎng)車(chē)間里可以承擔更多的工作，處理更復雜的任務(wù)，運行速度比以前更快，同時(shí)還能與人類(lèi)更加緊密地合作。
這些變化意味著(zhù)，在工業(yè)應用中，傳感器需要具備極高的精度，以確保在長(cháng)時(shí)間運行期間的安全性和可靠性。
在運動(dòng)感知方面，比如追蹤機械臂的位置和運動(dòng)速度，已經(jīng)有很多基于光學(xué)或磁性傳感的解決方案。然而，這些現有的檢測技術(shù)難以將高精度與抗污染能力相結合。相反，電感式檢測技術(shù)正逐漸成為一種更優(yōu)的解決方案，它為多種工業(yè)應用提供了可靠且強大的位置感知能力，并兼具精度和適應性。在本文中，我們將探討在對卓越性能和耐用性需求的推動(dòng)下，電感式傳感器的應用日益廣泛，并將討論如何簡(jiǎn)化它們在自動(dòng)化系統中的集成。
不同傳感器技術(shù)的局限性
在機器人、汽車(chē)和工業(yè)等任何使用電機的自動(dòng)化應用中，我們都需要確保對電機的精確控制。為此，我們需要知道電機轉子的位置和速度，轉子通常連接在軸上，并相對于固定的定子運動(dòng)。最常用的技術(shù)有三種旋轉編碼器：光電、磁性和電感式。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：
首先，光電編碼器精度高，對許多工業(yè)應用中的磁場(chǎng)不敏感。不過(guò)，它們的價(jià)格相對較高，而且很容易受到光碼盤(pán)、光源、光檢測器或軸承磨損等污垢污染的影響。
另一種選擇是磁性編碼器，它是一種低成本解決方案。它們通常用于需要降低成本，且不需要高精度的大批量應用中。雖然它們對污垢不敏感，但會(huì )受到磁場(chǎng)的負面影響。
電感式編碼器提供了一種克服這些主要缺點(diǎn)的解決方案：與磁性編碼器相比，電感式編碼器可實(shí)現更高的位置精度，同時(shí)又比光電編碼器便宜。由于電感式編碼器可以承受高污染、振動(dòng)和外部磁場(chǎng)，因此非常適合工業(yè)應用等惡劣環(huán)境。
此外，電感式編碼器對溫度變化不敏感，而且元件數量少，從而減小了尺寸、成本和復雜性。從環(huán)保角度來(lái)看，電感式編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不依賴(lài)于某些磁鐵中使用的稀土材料。
NCS32100 雙電感式位置傳感器
讓我們來(lái)看一個(gè)電感式傳感器的例子：安森美的NCS32100 位置傳感器體現了近期在電感式傳感領(lǐng)域的進(jìn)步，具有堅固耐用、非接觸式操作和抗環(huán)境因素影響等特點(diǎn)。NCS32100 包括一個(gè)全功能控制器和傳感器接口，與合適的非接觸式 PCB 傳感器搭配使用時(shí)，可實(shí)現高分辨率、高精度的角度檢測。它具有靈活的配置功能，可連接各種電感式傳感器樣例，并提供多種數字輸出格式。
圖 1 顯示了一個(gè)完整的旋轉電感器系統的橫截面。其中包括一個(gè)轉子和一個(gè)定子，它們都是印刷電路板（PCB），其中轉子安裝在中心軸上。該圖還顯示了安裝在靜態(tài)定子 PCB 上的 NCS32100， 以及電源和數據連接器。兩塊 PCB 板相互平行，中間通常有 0.1 毫米至 1 毫米的空氣間隙。
圖 1：旋轉編碼器全貌
NCS32100 是一種絕對式編碼器，這意味著(zhù)它可以在不旋轉圓盤(pán)的情況下推算出位置，這對于在啟動(dòng)時(shí)或系統在停機期間發(fā)生變化時(shí)獲取位置特別有幫助。它的位置精度優(yōu)于 ± 50 arcsec，即 0.0138 度機械旋轉角度，這是以前只有光電編碼器才能達到的精度水平。該精度可在轉速高達 6,000 轉/分鐘 (RPM) 的情況下實(shí)現，而 NCS32100 可在轉速高達 45,000 轉/分鐘的情況下運行 – 但此時(shí)精度會(huì )略有降低。
為了使 NCS32100 的集成盡可能簡(jiǎn)單，安森美提供了各種工具和支持，以及用于 PCB 設計的基于 Web 的設計工具。其中包括 NCS32100 的參考設計，如圖 2 所示（藍色虛線(xiàn)左側的部分包含在定子 PCB 板上）。
圖 2：NCS32100 參考設計框圖（簡(jiǎn)化版）
在位置檢測系統中，兩個(gè)圓盤(pán)（定子和轉子）表面都印有兩組導電走線(xiàn)或線(xiàn)圈（細線(xiàn)圈和粗線(xiàn)圈）。定子印刷電路板上還印有第三組稱(chēng)為勵磁線(xiàn)圈的導電走線(xiàn)（圖 3）。
圖 3：NCS32100 雙電感式定位
NCS32100 向勵磁線(xiàn)圈發(fā)射 4 MHz 正弦波，在其周?chē)纬呻姶艌?chǎng)。根據法拉第電磁感應定律，轉子的細線(xiàn)圈和粗線(xiàn)圈與電磁場(chǎng)相交，以渦流的形式將能量耦合到轉子線(xiàn)圈上。這些轉子上的渦流在定子上的細線(xiàn)圈和粗線(xiàn)圈中耦合產(chǎn)生電壓（最高可達 100 mV），這些線(xiàn)圈也連接到NCS32100的八個(gè)接收器輸入端。
NCS32100通過(guò)解調八個(gè)接收器輸入來(lái)測量轉子位置，然后再將這些輸入轉換為數字信號并進(jìn)行處理。這些信息被輸入到Arm? Cortex? M0+微控制器（MCU）中，使得該解決方案具有高度的可配置性。MCU提供絕對位置和速度數據，這些數據通過(guò)評估板上的RS-485接口發(fā)送。
當轉子的轉速在 100 至 1000 轉/分鐘之間，只需一條指令，就能在兩秒鐘內完成傳感器的自校準。校準后的系數存儲在嵌入式閃存中。盡管性能出眾，但雙電感式方法在系統中的應用非常簡(jiǎn)單。相比之下，光電編碼解決方案需要許多元器件，包括光碼盤(pán)、定子 PCB 和 LED 驅動(dòng)器，總計達 100 個(gè)元器件。相比之下，基于 NCS32100 的解決方案只需要一對PCB板，元件數量不到其一半。這種電感式解決方案提供了與光電方案相同的精度。
汽車(chē)應用中的電感式位置傳感器
在本文中，我們已經(jīng)討論了電感式編碼器在工業(yè)應用中的作用，但它們在汽車(chē)領(lǐng)域也有用武之地。
在汽車(chē)行業(yè)中，最重要的問(wèn)題是安全性，這一點(diǎn)對于制動(dòng)或轉向等關(guān)鍵應用尤為重要。安森美的 NCV77320 車(chē)規級絕對位置傳感器是按照 ISO26262 標準設計的，專(zhuān)門(mén)用于這些關(guān)鍵應用場(chǎng)景，例如剎車(chē)踏板傳感器、加速踏板傳感器、節氣門(mén)位置傳感器等。
NCV77320 有三個(gè)接收器輸入端，其滿(mǎn)量程精度典型值為±0.15%，可靈活用作旋轉編碼器或線(xiàn)性編碼器。
與 NCS32100 類(lèi)似，NCV77320 對污染、溫度變化和雜散磁場(chǎng)的干擾不敏感。它適用于惡劣的汽車(chē)環(huán)境，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 +150°C。
工廠(chǎng)車(chē)間是一個(gè)充滿(mǎn)潛在污染物的嘈雜環(huán)境，這對必須提供精度和可靠性的電子元件來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴苛的工作場(chǎng)所。像NCS32100這樣的電感式位置編碼器正在應對這一挑戰。
隨著(zhù)工業(yè)界繼續將效率和準確性放在首位，他們越來(lái)越依賴(lài)自動(dòng)化。這意味著(zhù)位置和運動(dòng)感知技術(shù)的應用越來(lái)越廣泛，提供了所需的準確性和穩定性。精確的傳感器數據可幫助工業(yè)企業(yè)減少故障、延長(cháng)維護周期、最大限度地提高產(chǎn)量，并最小化維護成本。
（文章來(lái)源：安森美，本文作者：Bob Card，安森美（onsemi）模擬與混合信號事業(yè)群 市場(chǎng)經(jīng)理）
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