适用于工业和交通市场的电感式位置传感器

Inductive Position Sensors for Industrial and Transportation Markets

作者：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凸显。为了有效地驱动电机，描述速度和位置的控制输入必不可少。然而，实现这种感测的技术有多种，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。

位置感测应用

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，这使得位置感测应用迅速增长。实际上，只要存在某种形式的运动，就需要有传感器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。机器人技术越来越普及，实现了全天候“无人”操作，而且不会疲劳或犯错误——这就要求每个运动轴都配备一个传感器。在传统工厂中与人类一起工作的“协作机器人”也是如此。

如今，许多零部件都是通过机器制造的——有的使用数控 (CNC) 机床，有的使用激光切割机，还有的使用 3D 打印机。这些机器都有活动部件，需要精确的位置控制才能满足质量目标。零部件加工好后，通常会通过自动化物料搬运或传送带进行运输，这也需要位置感测功能。

在工厂以外的场合，很多地方也需要位置控制，比如那些可以移动患者或扫描仪的大型医疗设备。另外，机器人现在能够做手术，这同样需要非常精确的控制。

在交通运输领域，每一种应用都涉及到运动。无论是火车、农用机械、建筑机械等传统交通工具，还是仓储中的自主移动机器人 (AMR) 和成千上万的无人机等新兴应用，都需要位置感测。

随着所有驱动方式（内燃机 (ICE)、纯电驱动 (EV) 和混合动力）的乘用车都在向电气化方向发展，机械控制方案正在被“线控驱动”和“线控转向”等系统所取代。为了使这些系统正常运作，必须将油门踏板（加速器）的位置信息传送给电子控制单元 (ECU)，或者将方向盘的位置信息传送给转向控制系统。

随着电子控制扩展到车辆操作的几乎所有方面，位置感测技术也广泛应用于悬挂组件（用于调平/行驶控制）、动力总成以及电动车窗、天窗、门锁等方面。

位置感测技术比较

旋转位置感测主要使用三种技术——光学、磁性和电感技术，每种技术都有各自不同的工作模式、优点、缺点和应用场景。

光学编码器通常被认为是最准确的（尽管并非所有情况下都是如此），其工作原理是让光穿过带孔的圆盘，在圆盘旋转时，利用光脉冲来检测运动。


图 1：旋转位置感测的主要方法包括光学、磁性和电感技术

通常，这类器件用于需要极高精度的应用，例如精密机器人以及数控车床或激光切割机等机床。虽然它们精度高且对磁场不敏感，但易受圆盘上的振动和污垢影响，这些因素可能会导致它们失效。

磁性编码器往往精度较低，主要用于对成本非常敏感的应用。它们在存在振动和污染的情况下表现良好，但外部磁场会对其造成明显的影响，这限制了它们的适用范围。

电感式编码器精度优于磁性编码器，能够承受较高程度的振动和污染，而且对磁场不敏感。其他优点包括：可重复性好，对温度不敏感，器件数量少，尺寸小，并且不需要稀土材料（即磁体）。

NCS32100 双电感位置传感器

安森美(onsemi)的 NCS32100 双电感位置传感器通过两个简单而创新的 PCB 盘，实现了出色的非接触式位置精度，精度优于 +50 角秒或者机械旋转 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 平行放置，中间以 0.1mm 至 2.5mm 的气隙分隔。NCS32100 位于定子 PCB 上。

粗细（双）导电走线或线圈印刷在两个盘面上。第三条导电迹线称为励磁线圈，印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向励磁线圈发送 4MHz 正弦波，使定子励磁线圈周围产生电磁场。根据法拉第互感定律，转子的粗细走线线圈与电磁场相交，将能量耦合到转子线圈中，形成涡流。

同时，定子的粗细线圈连接最多八个 NCS32100 接收器输入。当转子旋转时，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）的专有算法处理这些干扰，从而测量出转子位置。


图 2：双电感技术通过简单方案提供高性能

采用40mm PCB 传感器，NCS32100 能在 6,000 RPM 转速时实现 ±50 角秒的位置精度，在牺牲些许精度的情况下，转速高达 45,000 RPM。采用更大的 PCB 传感器或让转子与定子精确对准，可以实现 +/- 10 角秒以内的更高精度。

这种简单方案只需使用少量电子器件，从而确保尺寸小巧且成本低廉。此外，它还对温度波动、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 支持设计用于工业应用和环境的高精度旋转位置传感器。它是一款绝对位置器件，无需运动即可确定位置。NCS32100 还能够在高达 45,000 RPM 的转速下计算转速。

在高达 6,000 RPM 的转速下，NCS32100提供了 ±50 角秒的完整精度，可与许多光学编码器的性能相媲美。该器件还集成了 Arm® Cortex® M0+ MCU，提供高度可配置性和内部温度传感器。

NCS32100 内置的校准例程允许传感器通过单个命令实现自校准，此过程只需两秒钟。它不需要参考编码器，只要转子转速在100 到 1000 RPM 之间，，该程序就可以随时运行。所有校准系数都存储在非易失性存储器 (NVM) 中。

典型光学方案总共需要三块 PCB——光学圆盘、定子 PCB 和 LED 驱动器 PCB，实现全部功能需要大约 100 个器件。


图 3：双电感技术在精度上可媲美光学技术，而复杂性和成本比后者更低

相比之下，基于 NC32100 的方案仅需要两块 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。

在汽车应用中，虽然成本和可靠性很重要，但安全性更是至关重要，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 标准，专门针对这些关键应用场景而设计。NCV77320 的位置精度为 194.3 角秒或机械旋转 0.0539 度（具体取决于 PCB 几何形状），主要是因为它只有 3 个接收器输入，而 NCS32100 有 8 个接收器输入，并且 NCV77320 不支持粗细线圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作为旋转编码器或线性编码器运行。

NCV77320 的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、变速箱挡位传感器、油门位置传感器和废气再循环阀传感器。

与 NCS32100 一样，NCV77320 对污染、温度变化和磁场干扰不敏感，并且可用于环境温度范围为 -40oC 至 +150oC 的汽车环境。

NCV77320 能够以高达 10,800 RPM 的转速运行，并通过 SENT、SPI 或模拟接口与配套 MCU 进行通信。

总结

随着自动化日益普及，人们对旋转电机位置感测的需求越来越大。目前有多种技术可实现此功能，包括光学、磁性和电感技术。光学技术精度高，但价格昂贵且容易受污染影响。磁性技术成本低，但容易受磁场干扰。

电感技术日益受到青睐，而且随着双电感传感器的出现，现在能够打造既具备光学级精度而又更具成本效益的传感器。