隨著各行各業(yè)自動化程度的提高，運(yùn)動控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅(qÅ«)動電機(jÄ«)，描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而，實現(xiàn)這種感測的技術(shù)有多種，每種技術(shù)都有不同的特點(diÇŽn)和應(yÄ«ng)用場景。 

      本文將比較不同的旋轉(zhuÇŽn)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。 

       ä½ç½®æ„Ÿæ¸¬æ‡‰(yÄ«ng)用 

       ç‚ºäº†æé«˜ç²¾åº¦、提升良率并降低運(yùn)營成本，許多原來需要手動操作的流程都實現(xiàn)了自動化，這使得位置感測應(yÄ«ng)用迅速增長。實際上，只要存在某種形式的運(yùn)å‹•，就需要有傳感器向控制器提供位置信息。 

       å·¥æ¥­(yè) 4.0 推動工業(yè)市場在自動化領(lǐng)域取得許多進(jìn)步。機(jÄ«)器人技術(shù)越來越普及，實現(xiàn)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(yùn)動軸都配備一個傳感器。在傳統(tÇ’ng)工廠中與人類一起工作的“協(xié)作機(jÄ«)器人”也是如此。 

       å¦‚今，許多零部件都是通過機(jÄ«)器制造的——有的使用數(shù)控 (CNC) æ©Ÿ(jÄ«)床，有的使用激光切割機(jÄ«)，還有的使用 3D 打印機(jÄ«)。這些機(jÄ«)器都有活動部件，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，通常會通過自動化物料搬運(yùn)或傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸，這也需要位置感測功能。 

       åœ¨å·¥å» ä»¥å¤–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(yÄ«)療設(shè)å‚™。另外，機(jÄ«)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(yÄ«ng)用都涉及到運(yùn)動。無論是火車、農(nóng)用機(jÄ«)械、建筑機(jÄ«)械等傳統(tÇ’ng)交通工具，還是倉儲中的自主移動機(jÄ«)器人 (AMR) 和成千上萬的無人機(jÄ«)等新興應(yÄ«ng)用，都需要位置感測。 

       éš¨è‘—所有驅(qÅ«)動方式(å…§(nèi)燃機(jÄ«) (ICE)、純電驅(qÅ«)å‹• (EV) 和混合動力)的乘用車都在向電氣化方向發(fā)展，機(jÄ«)械控制方案正在被“線控驅(qÅ«)動”和“線控轉(zhuÇŽn)向”等系統(tÇ’ng)所取代。為了使這些系統(tÇ’ng)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(zhuÇŽn)向控制系統(tÇ’ng)。 

       éš¨è‘—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(yÄ«ng)用于懸掛組件(用于調(diào)å¹³/行駛控制)、動力總成以及電動車窗、天窗、門鎖等方面。 

       ä½ç½®æ„Ÿæ¸¬æŠ€è¡“(shù)比較 

       æ—‹è½‰(zhuÇŽn)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(diÇŽn)、缺點(diÇŽn)和應(yÄ«ng)用場景。 

       å…‰å­¸(xué)編碼器通常被認(rèn)為是最準(zhÇ”n)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(zhuÇŽn)時，利用光脈沖來檢測運(yùn)å‹•。

       é€šå¸¸，這類器件用于需要極高精度的應(yÄ«ng)用，例如精密機(jÄ«)器人以及數(shù)控車床或激光切割機(jÄ«)等機(jÄ«)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(dÇŽo)致它們失效。

       ç£æ€§ç·¨ç¢¼å™¨å¾€å¾€ç²¾åº¦è¼ƒä½Ž，主要用于對成本非常敏感的應(yÄ«ng)用。它們在存在振動和污染的情況下表現(xiàn)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。 

       é›»æ„Ÿå¼ç·¨ç¢¼å™¨ç²¾åº¦å„ª(yōu)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(yōu)點(diÇŽn)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 

       å®‰æ£®ç¾Ž(onsemi)çš„ NCS32100 雙電感位置傳感器通過兩個簡單而創(chuàng)æ–°çš„ PCB 盤，實現(xiàn)了出色的非接觸式位置精度，精度優(yōu)于 +50 角秒或者機(jÄ«)械旋轉(zhuÇŽn) 0.0138 度。一個 PCB 固定在電機(jÄ«)定子(靜止部分)上，而另一個單層 PCB 固定在轉(zhuÇŽn)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。 

       ç²—ç´°(xì)(é›™)å°Ž(dÇŽo)電走線或線圈印刷在兩個盤面上。第三條導(dÇŽo)電跡線稱為勵磁線圈，印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵磁線圈發(fā)送 4MHz 正弦波，使定子勵磁線圈周圍產(chÇŽn)生電磁場。根據(jù)法拉第互感定律，轉(zhuÇŽn)子的粗細(xì)走線線圈與電磁場相交，將能量耦合到轉(zhuÇŽn)子線圈中，形成渦流。 

       åŒæ™‚，定子的粗細(xì)線圈連接最多八個 NCS32100 接收器輸入。當(dāng)轉(zhuÇŽn)子旋轉(zhuÇŽn)時，轉(zhuÇŽn)子的渦流會干擾定子接收線圈。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(zhuÇŽn)子位置。

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

       é€™ç¨®ç°¡å–®æ–¹æ¡ˆåªéœ€ä½¿ç”¨å°‘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。 

       é›™é›»æ„ŸæŠ€è¡“(shù)集成方案 

       å®‰æ£®ç¾Žçš„ NCS32100 支持設(shè)計用于工業(yè)應(yÄ«ng)用和環(huán)境的高精度旋轉(zhuÇŽn)位置傳感器。它是一款絕對位置器件，無需運(yùn)動即可確定位置。NCS32100 還能夠在高達(dá) 45,000 RPM 的轉(zhuÇŽn)速下計算轉(zhuÇŽn)速。 

       åœ¨é«˜é”(dá) 6,000 RPM 的轉(zhuÇŽn)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 å…§(nèi)置的校準(zhÇ”n)例程允許傳感器通過單個命令實現(xiàn)自校準(zhÇ”n)，此過程只需兩秒鐘。它不需要參考編碼器，只要轉(zhuÇŽn)子轉(zhuÇŽn)速在100 到 1000 RPM 之間，，該程序就可以隨時運(yùn)行。所有校準(zhÇ”n)系數(shù)都存儲在非易失性存儲器 (NVM) 中。 

       å…¸åž‹å…‰å­¸(xué)方案總共需要三塊 PCB——光學(xué)圓盤、定子 PCB å’Œ LED é©…(qÅ«)動器 PCB，實現(xiàn)全部功能需要大約 100 個器件。

       ç›¸æ¯”之下，基于 NC32100 的方案僅需要兩塊 PCB：轉(zhuÇŽn)子是不含任何器件的單層 PCB，而定子 PCB 僅包含 12 個器件。 

       åœ¨æ±½è»Šæ‡‰(yÄ«ng)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(zhuÇŽn)向或剎車等應(yÄ«ng)用中。安森美的汽車級絕對位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標(biāo)準(zhÇ”n)，專門針對這些關(guān)鍵應(yÄ«ng)用場景而設(shè)計。NCV77320 的位置精度為 194.3 角秒或機(jÄ«)械旋轉(zhuÇŽn) 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(xì)線圈 PCB 配置。NCV77320 å’Œ NCS32100 都可作為旋轉(zhuÇŽn)編碼器或線性編碼器運(yùn)è¡Œ。 

       NCV77320 的應(yÄ«ng)用包括制動踏板傳感器、油門踏板傳感器、電機(jÄ«)位置傳感器、制動系統(tÇ’ng)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(zhuÇŽn)速運(yùn)行，并通過 SENT、SPI 或模擬接口與配套 MCU 進(jìn)行通信。 

       ç¸½çµ(jié)

       éš¨è‘—自動化日益普及，人們對旋轉(zhuÇŽn)電機(jÄ«)位置感測的需求越來越大。目前有多種技術(shù)可實現(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。 

       é›»æ„ŸæŠ€è¡“(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。