改進(jìn)工業(yè)電機(jī)控制，這款電感位置傳感器脫穎而出

無論是制造業(yè)還是運(yùn)輸和娛樂業(yè)，各個(gè)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步往往都離不開機(jī)器性能的提升，為此我們需要能夠更輕松地以更高的精度控制機(jī)器。許多現(xiàn)代化機(jī)器至少有一個(gè)核心電機(jī)，而以更高的精度控制電機(jī)可以從某種程度上改進(jìn)機(jī)器人、電梯、汽車、電動(dòng)工具等等。

電機(jī)性能取決于精密的控制，而精密的電機(jī)控制又取決于對(duì)電機(jī)位置的精密檢測(cè)。要實(shí)現(xiàn)精密檢測(cè)，日益精確的傳感器技術(shù)必不可少?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員可以利用定位精度更高的電感位置傳感器來提升電機(jī)精度、電機(jī)控制和電機(jī)性能。

編碼器

磁性編碼器和光學(xué)編碼器的原理都是利用電機(jī)位置變化與其速度之間的關(guān)系。磁性編碼器有多種類型，但其原理都是基于同一現(xiàn)象的不同變化形式。電機(jī)配備一個(gè)或多個(gè)以不同方式安裝的磁鐵，當(dāng)這些磁鐵相對(duì)于磁性檢測(cè)器移動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)隨著其相對(duì)移動(dòng)成比例變化。

不同類型磁性編碼器的分辨率各不相同，有時(shí)可能非常低，測(cè)量分辨率僅為每轉(zhuǎn)數(shù)百個(gè)脈沖 (PPR)。精度的提高離不開精密的制造工藝。不同類型的尺寸和重量各異，極端溫度也可能對(duì)編碼器產(chǎn)生不利影響。磁性傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是在受電磁干擾 (EMI) 影響的應(yīng)用中可能不可靠，甚至根本不可用。

光學(xué)編碼器可檢測(cè)光脈沖。一種基本的實(shí)現(xiàn)方法是為電機(jī)配備圓盤形格柵。當(dāng)格柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電二極管可檢測(cè)位于格柵表面或穿過格柵的光脈沖（光脈沖序列構(gòu)成“編碼”，這也是“光學(xué)編碼器”一詞的由來），通過該技術(shù)可確定旋轉(zhuǎn)速度和電機(jī)的位置。

光學(xué)編碼器不受磁場(chǎng)影響。它們可能具有高分辨率，并提供出色的精度，但其性能取決于安裝是否仔細(xì)。灰塵、煙塵甚至濕氣等環(huán)境污染物很容易對(duì)光學(xué)編碼器造成損害。極端溫度也可能對(duì)這些編碼器產(chǎn)生不利影響。無論是哪種傳感器，高速的實(shí)現(xiàn)通常都以犧牲精度為代價(jià)，而精度的成本往往更高。

電感傳感器

可與電機(jī)結(jié)合使用的第三種傳感器是電感傳感器。雖然電感傳感器實(shí)際上也是基于磁鐵原理，但它們測(cè)量的不是磁場(chǎng)的變化，而是電流——感應(yīng)電流。

磁性檢測(cè)器用于檢測(cè)齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪齒通過傳感器時(shí)，會(huì)引起通量發(fā)生變化，從而在傳感器中產(chǎn)生相應(yīng)比例的電壓，該電壓可能與旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。

電感傳感器的使用歷史已近百年。電感位置傳感器解決方案通常不易受振動(dòng)、溫度變化和環(huán)境污染物影響，其機(jī)械結(jié)構(gòu)往往更加簡(jiǎn)單，因此更為可靠。

過去 20 年，電感傳感器在汽車市場(chǎng)越來越受歡迎。汽車中使用的電感傳感器兼具低成本和高可靠性的特點(diǎn)，而且速度和精度都較低。這恰好符合該特定應(yīng)用的需求，但電感傳感器可實(shí)現(xiàn)更好的性能。

雙電感旋轉(zhuǎn)傳感器

雙電感旋轉(zhuǎn)傳感器是一種新型電感傳感器。這些新電感位置傳感器不僅速度快，而且精度高。安森美 (onsemi) 提供的雙電感位置傳感器由兩個(gè)印刷電路板 (PCB) 組成。一個(gè)是帶有兩個(gè)印刷電感的轉(zhuǎn)子；另一個(gè)是同時(shí)帶有印刷電感和一個(gè)編碼器 IC 的定子。

該器件的精度比 38mm 傳感器 (+/-50 arcsec) 更高。它在轉(zhuǎn)速高達(dá) 6,000 RPM 時(shí)實(shí)現(xiàn)完整精度（雖然它能夠以更高轉(zhuǎn)速工作，最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 100,000 RPM）。其單圈輸出分辨率為 20 位，多圈輸出分辨率為 24 位。

圖 1：安森美提供的 NCS32100 旋轉(zhuǎn)位置傳感器

這是一款絕對(duì)編碼器（與增量編碼器相對(duì)），因此即使轉(zhuǎn)子不在移動(dòng)，也能夠提供位置數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)模塊配備一個(gè)帶有固件的嵌入式微控制器 (MCU)，該控制器采用可編程的 M0?ARM? MCU，其輸出的是位置和速度，而不是原始模擬信號(hào)。憑借靈活的配置功能，該模塊可連接到不同的電感傳感器模式，并提供各種電子輸出格式。

該方法的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且組件數(shù)量更少，所需的外部組件（例如，旁路電容、調(diào)諧電容等）數(shù)量也大幅減少。即插即用，比較容易校準(zhǔn)，并具有糾錯(cuò)/診斷功能，因此易于安裝和操作。與其他電感傳感器一樣，安全性高、穩(wěn)定可靠。該傳感器以標(biāo)準(zhǔn)模塊提供，但其基本設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)其他配置。

該集成式解決方案專為滿足工業(yè)應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)，雙電感位置傳感器的適用范圍包括目前正在使用中高端光學(xué)編碼器的領(lǐng)域，以及機(jī)器人、工業(yè)驅(qū)動(dòng)器、工廠自動(dòng)化系統(tǒng)和各種工業(yè)機(jī)械等應(yīng)用。

設(shè)計(jì)人員在評(píng)估傳感器選項(xiàng)時(shí)，不僅要滿足應(yīng)用的運(yùn)行要求，還要考慮應(yīng)用的長(zhǎng)期使用壽命，后者至關(guān)重要。安森美雙電感旋轉(zhuǎn)位置傳感器有助于減少元器件數(shù)量，延長(zhǎng)運(yùn)行壽命和簡(jiǎn)化校準(zhǔn)操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總擁有成本的降低。

本文作者：安森美歐洲、中東和非洲高級(jí)區(qū)域營銷經(jīng)理 Alessandro Maggioni