适用于工业和交通市场的电感式位置传感器

2024-04-16
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摘要 本文将比较不同的旋转感测技术,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器件。
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。
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