本文作者：Bob Card，安森美（onsemi）模擬與混合信號(hào)事業(yè)群 市場(chǎng)經(jīng)理

機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人（cobots）能力的提高，意味著它們?cè)诠S車間里可以承擔(dān)更多的工作，處理更復(fù)雜的任務(wù)，運(yùn)行速度比以前更快，同時(shí)還能與人類更加緊密地合作。

這些變化意味著，在工業(yè)應(yīng)用中，傳感器需要具備極高的精度，以確保在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行期間的安全性和可靠性。

在運(yùn)動(dòng)感知方面，比如追蹤機(jī)械臂的位置和運(yùn)動(dòng)速度，已經(jīng)有很多基于光學(xué)或磁性傳感的解決方案。然而，這些現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)難以將高精度與抗污染能力相結(jié)合。相反，電感式檢測(cè)技術(shù)正逐漸成為一種更優(yōu)的解決方案，它為多種工業(yè)應(yīng)用提供了可靠且強(qiáng)大的位置感知能力，并兼具精度和適應(yīng)性。在本文中，我們將探討在對(duì)卓越性能和耐用性需求的推動(dòng)下，電感式傳感器的應(yīng)用日益廣泛，并將討論如何簡(jiǎn)化它們?cè)谧詣?dòng)化系統(tǒng)中的集成。

不同傳感器技術(shù)的局限性

在機(jī)器人、汽車和工業(yè)等任何使用電機(jī)的自動(dòng)化應(yīng)用中，我們都需要確保對(duì)電機(jī)的精確控制。為此，我們需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度，轉(zhuǎn)子通常連接在軸上，并相對(duì)于固定的定子運(yùn)動(dòng)。最常用的技術(shù)有三種旋轉(zhuǎn)編碼器：光電、磁性和電感式。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)：

首先，光電編碼器精度高，對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用中的磁場(chǎng)不敏感。不過，它們的價(jià)格相對(duì)較高，而且很容易受到光碼盤、光源、光檢測(cè)器或軸承磨損等污垢污染的影響。

另一種選擇是磁性編碼器，它是一種低成本解決方案。它們通常用于需要降低成本，且不需要高精度的大批量應(yīng)用中。雖然它們對(duì)污垢不敏感，但會(huì)受到磁場(chǎng)的負(fù)面影響。

電感式編碼器提供了一種克服這些主要缺點(diǎn)的解決方案：與磁性編碼器相比，電感式編碼器可實(shí)現(xiàn)更高的位置精度，同時(shí)又比光電編碼器便宜。由于電感式編碼器可以承受高污染、振動(dòng)和外部磁場(chǎng)，因此非常適合工業(yè)應(yīng)用等惡劣環(huán)境。

此外，電感式編碼器對(duì)溫度變化不敏感，而且元件數(shù)量少，從而減小了尺寸、成本和復(fù)雜性。從環(huán)保角度來看，電感式編碼器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不依賴于某些磁鐵中使用的稀土材料。

NCS32100 雙電感式位置傳感器

讓我們來看一個(gè)電感式傳感器的例子：安森美的NCS32100 位置傳感器體現(xiàn)了近期在電感式傳感領(lǐng)域的進(jìn)步，具有堅(jiān)固耐用、非接觸式操作和抗環(huán)境因素影響等特點(diǎn)。NCS32100 包括一個(gè)全功能控制器和傳感器接口，與合適的非接觸式 PCB 傳感器搭配使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度的角度檢測(cè)。它具有靈活的配置功能，可連接各種電感式傳感器樣例，并提供多種數(shù)字輸出格式。

圖 1 顯示了一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)電感器系統(tǒng)的橫截面。其中包括一個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子，它們都是印刷電路板（PCB），其中轉(zhuǎn)子安裝在中心軸上。該圖還顯示了安裝在靜態(tài)定子 PCB 上的 NCS32100， 以及電源和數(shù)據(jù)連接器。兩塊 PCB 板相互平行，中間通常有 0.1 毫米至 1 毫米的空氣間隙。

圖 1：旋轉(zhuǎn)編碼器全貌

NCS32100 是一種絕對(duì)式編碼器，這意味著它可以在不旋轉(zhuǎn)圓盤的情況下推算出位置，這對(duì)于在啟動(dòng)時(shí)或系統(tǒng)在停機(jī)期間發(fā)生變化時(shí)獲取位置特別有幫助。它的位置精度優(yōu)于 ± 50 arcsec，即 0.0138 度機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度，這是以前只有光電編碼器才能達(dá)到的精度水平。該精度可在轉(zhuǎn)速高達(dá) 6,000 轉(zhuǎn)/分鐘 (RPM) 的情況下實(shí)現(xiàn)，而 NCS32100 可在轉(zhuǎn)速高達(dá) 45,000 轉(zhuǎn)/分鐘的情況下運(yùn)行 – 但此時(shí)精度會(huì)略有降低。

為了使 NCS32100 的集成盡可能簡(jiǎn)單，安森美提供了各種工具和支持，以及用于 PCB 設(shè)計(jì)的基于 Web 的設(shè)計(jì)工具。其中包括 NCS32100 的參考設(shè)計(jì)，如圖 2 所示（藍(lán)色虛線左側(cè)的部分包含在定子 PCB 板上）。

圖 2：NCS32100 參考設(shè)計(jì)框圖（簡(jiǎn)化版）

在位置檢測(cè)系統(tǒng)中，兩個(gè)圓盤（定子和轉(zhuǎn)子）表面都印有兩組導(dǎo)電走線或線圈（細(xì)線圈和粗線圈）。定子印刷電路板上還印有第三組稱為勵(lì)磁線圈的導(dǎo)電走線（圖 3）。

圖 3：NCS32100 雙電感式定位

NCS32100 向勵(lì)磁線圈發(fā)射 4 MHz 正弦波，在其周圍形成電磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子的細(xì)線圈和粗線圈與電磁場(chǎng)相交，以渦流的形式將能量耦合到轉(zhuǎn)子線圈上。這些轉(zhuǎn)子上的渦流在定子上的細(xì)線圈和粗線圈中耦合產(chǎn)生電壓（最高可達(dá) 100 mV），這些線圈也連接到NCS32100的八個(gè)接收器輸入端。

NCS32100通過解調(diào)八個(gè)接收器輸入來測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，然后再將這些輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行處理。這些信息被輸入到Arm Cortex M0+微控制器（MCU）中，使得該解決方案具有高度的可配置性。MCU提供絕對(duì)位置和速度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過評(píng)估板上的RS-485接口發(fā)送。

當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在 100 至 1000 轉(zhuǎn)/分鐘之間，只需一條指令，就能在兩秒鐘內(nèi)完成傳感器的自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的系數(shù)存儲(chǔ)在嵌入式閃存中。盡管性能出眾，但雙電感式方法在系統(tǒng)中的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單。相比之下，光電編碼解決方案需要許多元器件，包括光碼盤、定子 PCB 和 LED 驅(qū)動(dòng)器，總計(jì)達(dá) 100 個(gè)元器件。相比之下，基于 NCS32100 的解決方案只需要一對(duì)PCB板，元件數(shù)量不到其一半。這種電感式解決方案提供了與光電方案相同的精度。

汽車應(yīng)用中的電感式位置傳感器

在本文中，我們已經(jīng)討論了電感式編碼器在工業(yè)應(yīng)用中的作用，但它們?cè)谄囶I(lǐng)域也有用武之地。

在汽車行業(yè)中，最重要的問題是安全性，這一點(diǎn)對(duì)于制動(dòng)或轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵應(yīng)用尤為重要。安森美的 NCV77320 車規(guī)級(jí)絕對(duì)位置傳感器是按照 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，專門用于這些關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景，例如剎車踏板傳感器、加速踏板傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等。

NCV77320 有三個(gè)接收器輸入端，其滿量程精度典型值為±0.15%，可靈活用作旋轉(zhuǎn)編碼器或線性編碼器。

與 NCS32100 類似，NCV77320 對(duì)污染、溫度變化和雜散磁場(chǎng)的干擾不敏感。它適用于惡劣的汽車環(huán)境，工作環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 +150°C。

結(jié)語

工廠車間是一個(gè)充滿潛在污染物的嘈雜環(huán)境，這對(duì)必須提供精度和可靠性的電子元件來說是一個(gè)嚴(yán)苛的工作場(chǎng)所。像NCS32100這樣的電感式位置編碼器正在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

隨著工業(yè)界繼續(xù)將效率和準(zhǔn)確性放在首位，他們?cè)絹碓揭蕾囎詣?dòng)化。這意味著位置和運(yùn)動(dòng)感知技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，提供了所需的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。精確的傳感器數(shù)據(jù)可幫助工業(yè)企業(yè)減少故障、延長(zhǎng)維護(hù)周期、最大限度地提高產(chǎn)量，并最小化維護(hù)成本。