【導(dǎo)讀】隨著各行各業(yè)自動(dòng)化程度的提高,運(yùn)動(dòng)控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī),描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而,實(shí)現(xiàn)這種感測(cè)的技術(shù)有多種,每種技術(shù)都有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。
隨著各行各業(yè)自動(dòng)化程度的提高,運(yùn)動(dòng)控制的重要性日益凸顯。為了有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī),描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而,實(shí)現(xiàn)這種感測(cè)的技術(shù)有多種,每種技術(shù)都有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。
本文將比較不同的旋轉(zhuǎn)感測(cè)技術(shù),并討論選擇它們的原因。然后,我們將了解市場(chǎng)上的一些最新器件。
位置感測(cè)應(yīng)用
為了提高精度、提升良率并降低運(yùn)營(yíng)成本,許多原來(lái)需要手動(dòng)操作的流程都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,這使得位置感測(cè)應(yīng)用迅速增長(zhǎng)。實(shí)際上,只要存在某種形式的運(yùn)動(dòng),就需要有傳感器向控制器提供位置信息。
工業(yè) 4.0 推動(dòng)工業(yè)市場(chǎng)在自動(dòng)化領(lǐng)域取得許多進(jìn)步。機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越普及,實(shí)現(xiàn)了全天候“無(wú)人”操作,而且不會(huì)疲勞或犯錯(cuò)誤——這就要求每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都配備一個(gè)傳感器。在傳統(tǒng)工廠中與人類一起工作的“協(xié)作機(jī)器人”也是如此。
如今,許多零部件都是通過(guò)機(jī)器制造的——有的使用數(shù)控 (CNC) 機(jī)床,有的使用激光切割機(jī),還有的使用 3D 打印機(jī)。這些機(jī)器都有活動(dòng)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(huì)通過(guò)自動(dòng)化物料搬運(yùn)或傳送帶進(jìn)行運(yùn)輸,這也需要位置感測(cè)功能。
在工廠以外的場(chǎng)合,很多地方也需要位置控制,比如那些可以移動(dòng)患者或掃描儀的大型醫(yī)療設(shè)備。另外,機(jī)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(yīng)用都涉及到運(yùn)動(dòng)。無(wú)論是火車(chē)、農(nóng)用機(jī)械、建筑機(jī)械等傳統(tǒng)交通工具,還是倉(cāng)儲(chǔ)中的自主移動(dòng)機(jī)器人 (AMR) 和成千上萬(wàn)的無(wú)人機(jī)等新興應(yīng)用,都需要位置感測(cè)。
隨著所有驅(qū)動(dòng)方式(內(nèi)燃機(jī) (ICE)、純電驅(qū)動(dòng) (EV) 和混合動(dòng)力)的乘用車(chē)都在向電氣化方向發(fā)展,機(jī)械控制方案正在被“線控驅(qū)動(dòng)”和“線控轉(zhuǎn)向”等系統(tǒng)所取代。為了使這些系統(tǒng)正常運(yùn)作,必須將油門(mén)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(pán)的位置信息傳送給轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。
隨著電子控制擴(kuò)展到車(chē)輛操作的幾乎所有方面,位置感測(cè)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于懸掛組件(用于調(diào)平/行駛控制)、動(dòng)力總成以及電動(dòng)車(chē)窗、天窗、門(mén)鎖等方面。
位置感測(cè)技術(shù)比較
旋轉(zhuǎn)位置感測(cè)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(diǎn)、缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。
光學(xué)編碼器通常被認(rèn)為是最準(zhǔn)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(guò)帶孔的圓盤(pán),在圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),利用光脈沖來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)。
圖 1:旋轉(zhuǎn)位置感測(cè)的主要方法包括光學(xué)、磁性和電感技術(shù)
通常,這類器件用于需要極高精度的應(yīng)用,例如精密機(jī)器人以及數(shù)控車(chē)床或激光切割機(jī)等機(jī)床。雖然它們精度高且對(duì)磁場(chǎng)不敏感,但易受圓盤(pán)上的振動(dòng)和污垢影響,這些因素可能會(huì)導(dǎo)致它們失效。
磁性編碼器往往精度較低,主要用于對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用。它們?cè)诖嬖谡駝?dòng)和污染的情況下表現(xiàn)良好,但外部磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其造成明顯的影響,這限制了它們的適用范圍。
電感式編碼器精度優(yōu)于磁性編碼器,能夠承受較高程度的振動(dòng)和污染,而且對(duì)磁場(chǎng)不敏感。其他優(yōu)點(diǎn)包括:可重復(fù)性好,對(duì)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
安森美(onsemi)的 NCS32100 雙電感位置傳感器通過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單而創(chuàng)新的 PCB 盤(pán),實(shí)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(jī)械旋轉(zhuǎn) 0.0138 度。一個(gè) PCB 固定在電機(jī)定子(靜止部分)上,而另一個(gè)單層 PCB 固定在轉(zhuǎn)子或軸上。兩個(gè) 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。
粗細(xì)(雙)導(dǎo)電走線或線圈印刷在兩個(gè)盤(pán)面上。第三條導(dǎo)電跡線稱為勵(lì)磁線圈,印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵(lì)磁線圈發(fā)送 4MHz 正弦波,使定子勵(lì)磁線圈周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)。根據(jù)法拉第互感定律,轉(zhuǎn)子的粗細(xì)走線線圈與電磁場(chǎng)相交,將能量耦合到轉(zhuǎn)子線圈中,形成渦流。
同時(shí),定子的粗細(xì)線圈連接最多八個(gè) NCS32100 接收器輸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子的渦流會(huì)干擾定子接收線圈。NCS32100 通過(guò)其內(nèi)部 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的專有算法處理這些干擾,從而測(cè)量出轉(zhuǎn)子位置。
圖 2:雙電感技術(shù)通過(guò)簡(jiǎn)單方案提供高性能
采用40mm PCB 傳感器,NCS32100 能在 6,000 RPM 轉(zhuǎn)速時(shí)實(shí)現(xiàn) ±50 角秒的位置精度,在犧牲些許精度的情況下,轉(zhuǎn)速高達(dá) 45,000 RPM。采用更大的 PCB 傳感器或讓轉(zhuǎn)子與定子精確對(duì)準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn) +/- 10 角秒以內(nèi)的更高精度。
這種簡(jiǎn)單方案只需使用少量電子器件,從而確保尺寸小巧且成本低廉。此外,它還對(duì)溫度波動(dòng)、污染和外部磁場(chǎng)完全不敏感。
雙電感技術(shù)集成方案
安森美的 NCS32100 支持設(shè)計(jì)用于工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境的高精度旋轉(zhuǎn)位置傳感器。它是一款絕對(duì)位置器件,無(wú)需運(yùn)動(dòng)即可確定位置。NCS32100 還能夠在高達(dá) 45,000 RPM 的轉(zhuǎn)速下計(jì)算轉(zhuǎn)速。
在高達(dá) 6,000 RPM 的轉(zhuǎn)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 內(nèi)置的校準(zhǔn)例程允許傳感器通過(guò)單個(gè)命令實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn),此過(guò)程只需兩秒鐘。它不需要參考編碼器,只要轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在100 到 1000 RPM 之間,,該程序就可以隨時(shí)運(yùn)行。所有校準(zhǔn)系數(shù)都存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 中。
典型光學(xué)方案總共需要三塊 PCB——光學(xué)圓盤(pán)、定子 PCB 和 LED 驅(qū)動(dòng)器 PCB,實(shí)現(xiàn)全部功能需要大約 100 個(gè)器件。
圖 3:雙電感技術(shù)在精度上可媲美光學(xué)技術(shù),而復(fù)雜性和成本比后者更低
相比之下,基于 NC32100 的方案僅需要兩塊 PCB:轉(zhuǎn)子是不含任何器件的單層 PCB,而定子 PCB 僅包含 12 個(gè)器件。
在汽車(chē)應(yīng)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(zhuǎn)向或剎車(chē)等應(yīng)用中。安森美的汽車(chē)級(jí)絕對(duì)位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn),專門(mén)針對(duì)這些關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景而設(shè)計(jì)。NCV77320 的位置精度為 194.3 角秒或機(jī)械旋轉(zhuǎn) 0.0539 度(具體取決于 PCB 幾何形狀),主要是因?yàn)樗挥?3 個(gè)接收器輸入,而 NCS32100 有 8 個(gè)接收器輸入,并且 NCV77320 不支持粗細(xì)線圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作為旋轉(zhuǎn)編碼器或線性編碼器運(yùn)行。
NCV77320 的應(yīng)用包括制動(dòng)踏板傳感器、油門(mén)踏板傳感器、電機(jī)位置傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)傳感器、車(chē)輛水平傳感器、變速箱擋位傳感器、油門(mén)位置傳感器和廢氣再循環(huán)閥傳感器。
與 NCS32100 一樣,NCV77320 對(duì)污染、溫度變化和磁場(chǎng)干擾不敏感,并且可用于環(huán)境溫度范圍為 -40oC 至 +150oC 的汽車(chē)環(huán)境。
NCV77320 能夠以高達(dá) 10,800 RPM 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行,并通過(guò) SENT、SPI 或模擬接口與配套 MCU 進(jìn)行通信。
總結(jié)
隨著自動(dòng)化日益普及,人們對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)位置感測(cè)的需求越來(lái)越大。目前有多種技術(shù)可實(shí)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(jià)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(chǎng)干擾。
電感技術(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(jí)精度而又更具成本效益的傳感器。
(來(lái)源:安森美,作者:Bob Card,安森美先進(jìn)方案部 (ASG) 營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理)
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
生物阻抗譜技術(shù)的進(jìn)步如何推動(dòng)便攜式設(shè)備創(chuàng)新
高度集成的嵌入式處理器如何推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展