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Inductive Position Sensors for Industrial and Transportation Markets 作者：Bob Card，安森美先進方案部 (ASG) 營銷經理 隨著各行各業自動化程度的提高，運動控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅動電機，描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而，實現這種感測的技術有多種，每種技術都有不同的特點和應用場景。 本文將比較不同的旋轉感測技術，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。 位置感測應用 為了提高精度、提升良率并降低運營成本，許多原來需要手動操作的流程都實現了自動化，這使得位置感測應用迅速增長。實際上，只要存在某種形式的運動，就需要有傳感器向控制器提供位置信息。 工業 4.0 推動工業市場在自動化領域取得許多進步。機器人技術越來越普及，實現了全天候“無人”操作，而且不會疲勞或犯錯誤——這就要求每個運動軸都配備一個傳感器。在傳統工廠中與人類一起工作的“協作機器人”也是如此。 如今，許多零部件都是通過機器制造的——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。這些機器都有活動部件，需要精確的位置控制才能滿足質量目標。零部件加工好后，通常會通過自動化物料搬運或傳送帶進行運輸，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，這同樣需要非常精確的控制。 在交通運輸領域，每一種應用都涉及到運動。無論是火車、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機器人 (AMR) 和成千上萬的無人機等新興應用，都需要位置感測。 隨著所有驅動方式（內燃機 (ICE)、純電驅動 (EV) 和混合動力）的乘用車都在向電氣化方向發展，機械控制方案正在被“線控驅動”和“線控轉向”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向控制系統。 隨著電子控制擴展到車輛操作的幾乎所有方面，位置感測技術也廣泛應用于懸掛組件（用于調平/行駛控制）、動力總成以及電動車窗、天窗、門鎖等方面。 位置感測技術比較 旋轉位置感測主要使用三種技術——光學、磁性和電感技術，每種技術都有各自不同的工作模式、優點、缺點和應用場景。 光學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帶孔的圓盤，在圓盤旋轉時，利用光脈沖來檢測運動。 
圖 1：旋轉位置感測的主要方法包括光學、磁性和電感技術 通常，這類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床或激光切割機等機床。雖然它們精度高且對磁場不敏感，但易受圓盤上的振動和污垢影響，這些因素可能會導致它們失效。 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。它們在存在振動和污染的情況下表現良好，但外部磁場會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于磁性編碼器，能夠承受較高程度的振動和污染，而且對磁場不敏感。其他優點包括：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兩個簡單而創新的 PCB 盤，實現了出色的非接觸式位置精度，精度優于 +50 角秒或者機械旋轉 0.0138 度。一個 PCB 固定在電機定子（靜止部分）上，而另一個單層 PCB 固定在轉子或軸上。兩個 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）導電走線或線圈印刷在兩個盤面上。第三條導電跡線稱為勵磁線圈，印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵磁線圈發送 4MHz 正弦波，使定子勵磁線圈周圍產生電磁場。根據法拉第互感定律，轉子的粗細走線線圈與電磁場相交，將能量耦合到轉子線圈中，形成渦流。 同時，定子的粗細線圈連接最多八個 NCS32100 接收器輸入。當轉子旋轉時，轉子的渦流會干擾定子接收線圈。NCS32100 通過其內部 DSP（數字信號處理器）的專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 轉速時實現 ±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，可以實現 +/- 10 角秒以內的更高精度。 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、污染和外部磁場完全不敏感。 雙電感技術集成方案 安森美的 NCS32100 支持設計用于工業應用和環境的高精度旋轉位置傳感器。它是一款絕對位置器件，無需運動即可確定位置。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單個命令實現自校準，此過程只需兩秒鐘。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。 典型光學方案總共需要三塊 PCB——光學圓盤、定子 PCB 和 LED 驅動器 PCB，實現全部功能需要大約 100 個器件。
圖 3：雙電感技術在精度上可媲美光學技術，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 個器件。 在汽車應用中，雖然成本和可靠性很重要，但安全性更是至關重要，尤其是在轉向或剎車等應用中。安森美的汽車級絕對位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標準，專門針對這些關鍵應用場景而設計。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 個接收器輸入，而 NCS32100 有 8 個接收器輸入，并且 NCV77320 不支持粗細線圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作為旋轉編碼器或線性編碼器運行。 NCV77320 的應用包括制動踏板傳感器、油門踏板傳感器、電機位置傳感器、制動系統傳感器、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，并且可用于環境溫度范圍為 -40oC 至 +150oC 的汽車環境。 NCV77320 能夠以高達 10,800 RPM 的轉速運行，并通過 SENT、SPI 或模擬接口與配套 MCU 進行通信。 總結 隨著自動化日益普及，人們對旋轉電機位置感測的需求越來越大。目前有多種技術可實現此功能，包括光學、磁性和電感技術。光學技術精度高，但價格昂貴且容易受污染影響。磁性技術成本低，但容易受磁場干擾。 電感技術日益受到青睞，而且隨著雙電感傳感器的出現，現在能夠打造既具備光學級精度而又更具成本效益的傳感器。 |
