文 |Bob Card，安森美先进方案部 (ASG) 营销经理　　随着各行各业自动化程度的提高，运动控制的重要性日益突出。描述速度和位置的控制输入对于有效地驱动电机至关重要。然而，实现这种感知的技术有很多种，每种技术都有不同的特点和应用场景。　　本文将比较不同的旋转传感技术，并讨论选择它们的原因。然后，我们将了解市场上的一些最新设备。　　位置感知应用　　为了提高精度、提升良率并降低运营成本，许多原来需要手动操作的流程都实现了自动化，这使得位置感知应用迅速增长。事实上，只要有某种形式的运动，传感器就需要向控制器提供位置信息。　　工业 4.0 推动工业市场在自动化领域取得许多进步。机器人技术越来越流行，实现了全天候的“无人”操作，不会疲劳或出错——这就要求每个运动轴都配备一个传感器。与人类在传统工厂工作的“合作机器人”也是如此。　　如今，许多零件都是由机器制造的——有些使用数控 (CNC) 机床，有的用激光切割机，有的用激光切割机，有的用激光切割机 3D 打印机。这些机器都有活动部件，需要精确的位置控制来满足质量目标。零件加工后，通常通过自动物料搬运或传送带运输，这也需要位置感知功能。　　在工厂外，许多地方也需要位置控制，比如大型医疗设备，可以移动病人或扫描仪。此外，机器人现在可以做手术，这也需要非常准确的控制。　　在交通领域，每一个应用都涉及到运动。无论是火车、农业机械、建筑机械等传统交通工具，还是仓储中的独立移动机器人 (AMR) 还有成千上万的新兴应用，如无人机，都需要位置感知。　　所有驱动模式(内燃机) (ICE)、纯电驱动 (EV) 与混合动力车相比，乘用车正在向电气化方向发展，机械控制方案正在被“线控驱动”、“线控转向”等系统所取代。为了使这些系统正常运行，必须将油门踏板（加速器）的位置信息传输给电子控制单元 (ECU)，或将方向盘的位置信息传输到转向控制系统。　　位置感知技术随着电子控制扩展到车辆操作的几乎所有方面，也广泛应用于悬架组件(调平/驾驶控制)、动力总成、电动车窗、天窗、门锁等。　　比较位置感知技术　　旋转位置感知主要采用光学、磁性和电感三种技术，每种技术都有不同的工作模式、优点、缺点和应用场景。　　光学编码器通常被认为是最准确的（尽管不是在所有情况下），其工作原理是让光通过带孔的圆盘，并在圆盘旋转时使用光脉冲来检测运动。　　图 1：旋转位置感知的主要方法包括光学、磁性和电感技术　　通常，这些设备用于需要高精度的应用，如精密机器人、数控车床或激光切割机。虽然它们精度高，对磁场不敏感，但它们很容易受到盘子上的振动和污垢的影响，这可能会导致它们失效。　　磁性编码器通常精度低，主要用于对成本非常敏感的应用。它们在振动和污染方面表现良好，但外部磁场会对其产生明显的影响，这限制了它们的适用范围。　　电感编码器的精度优于磁性编码器，能承受较高程度的振动和污染，对磁场不敏感。其它优点包括:可重复性好，对温度不敏感，设备数量少，尺寸小，不需要稀土材料(即磁体)。　　NCS32100 双电感位置传感器　　安森美(onsemi)的 NCS32100 通过两个简单而创新的双电感位置传感器 PCB 盘，实现了优异的非接触位置精度，精度优于 50 角秒或机械旋转 0.0138 度。一个 PCB 固定在电机定子(静止部分)上，而另一个单层 PCB 固定在转子或轴上。两个 PCB 中间平行放置 0.1mm 至 2.5mm 气隙分隔。NCS32100 位于定子 PCB 上。　　厚度(双)导电线或线圈印在两个盘面上。第三条导电线称为励磁线圈，印在定子上 PCB 上。NCS32100 发送到励磁线圈 4MHz 正弦波在定子励磁线圈周围产生电磁场。根据法拉第互感定律，转子的厚度线圈与电磁场交叉，将能量耦合到转子线圈中，形成涡流。　　同时，定子的厚度线圈最多连接8个 NCS32100 输入接收器。转子旋转时，转子的涡流会干扰定子接收线圈。NCS32100 通过其内部 DSP(数字信号处理器)专有算法处理这些干扰，从而测量转子位置。　　图 2：通过简单的解决方案，双电感技术提供高性能　　采用40mm PCB NCS321000传感器 能在 6,000 RPM 转速时实现 ±50 在牺牲一点精度的情况下，角秒的位置精度高达 45,000 RPM。采用更大的 PCB 可以实现传感器或转子与定子的精确对准 /- 10 角秒内精度较高。　　这个简单的方案只需要使用少量的电子设备，以确保尺寸小，成本低。此外，它对温度波动、污染和外部磁场完全不敏感。　　双电感技术集成方案　　安森美的 NCS32100 高精度旋转位置传感器支持工业应用和环境的设计。它是一个绝对位置装置，不需要运动就可以确定位置。NCS32100 也可以在高达 45,000 RPM 在转速下计算转速。　　在高达 6,000 RPM NCS32100在转速下提供 ±50 角秒的完整精度可与许多光学编码器的性能相媲美。该设备也集成了 Arm® Cortex® M0 MCU，提供高度可配置性和内部温度传感器。　　NCS32100 内置校准例程允许传感器通过单个命令自行校准，只需两秒钟。只要转子转速为100，就不需要参考编码器 到 1000 RPM 在此之间，程序可以随时运行。所有校准系数都存储在非易失性存储器中 (NVM) 中。　　典型的光学方案总共需要三块 PCB——光盘，定子 PCB 和 LED 驱动器 PCB，大约需要实现所有功能 100 个器件。　　图 3：在精度上，双电感技术可与光学技术媲美，而且复杂性和成本都低于后者　　相比之下，基础 NC32100 只需要两个方案 PCB：转子是不含任何器件的单层 PCB，而定子 PCB 仅包含 12 个器件。　　虽然成本和可靠性在汽车应用中非常重要，但安全性更为重要，尤其是在转向或刹车等应用中。安森美的汽车级绝对位置传感器 NCV77320 符合 ISO26262 专门为这些关键应用场景设计的标准。NCV77320 位置精度为 194.3 角秒或机械旋转 0.0539 程度(具体取决于 PCB 几何形状)，主要是因为它只是 3 输入个接收器，而 NCS32100 有 8 并且输入个接收器 NCV77320 粗细线圈不支持 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 可作为旋转编码器或线性编码器运行。　　NCV77320 应用包括制动踏板传感器、油门踏板传感器、电机位置传感器、制动系统传感器、车辆水平传感器、变速箱齿轮传感器、油门位置传感器和废气回收阀传感器。　　与 NCS32100 NCV77320 对污染、温度变化和磁场干扰不敏感，可用于环境温度范围 -40ºC 至 150ºC 汽车环境。　　NCV77320 能够以高达 10,800 RPM 并通过转速运行 SENT、SPI 或模拟接口和配套设施 MCU 进行通信。　　总结　　随着自动化的日益普及，人们对旋转电机位置感知的需求越来越大。目前，包括光学、磁性和电感技术在内的技术很多。光学技术精度高，但价格昂贵，容易受到污染。磁性技术成本低，但易受磁场干扰。　　电感技术越来越受欢迎，随着双电感传感器的出现，它现在可以创建具有光学精度和更成本效益的传感器。