工業/交通自動化加速　雙電感位置感測兼顧性能/成本

2024-01-05

Bob Card

隨著各行各業的自動化程度提高，運動控制的重要性與日俱增。為了有效地驅動電機，描述速度和位置的控制輸入必不可少。然而，實現這種感測的技術多種多樣，每種技術都有不同的特點和應用場景。

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本文將比較不同的旋轉感測技術，並討論選擇背後的原因。接著，將介紹一些市場上的最新元件。

位置感測應用

為了提高精度、提升良率並降低營運成本，許多原來需要手動操作的流程都實現了自動化，使得位置感測應用迅速成長。實際上，只要存在某種形式的運動，就需要有感測器向控制器提供位置資訊。

工業4.0推動工業市場在自動化領域取得許多進步。機器人技術越來越普及，實現了全天候「無人(Lights Out)」操作，而且不會疲勞或出錯，這類應用要求每個運動軸都配備一個感測器。在傳統工廠中與人類一起工作的協作機器人(Cobot)也是如此。

如今，許多零組件都是透過機器進行製造，有的使用數控(CNC)機床，有的使用雷射切割機，有的則使用3D列印機。這些機器都有活動零件，需要精確的位置控制才能達到品質要求。零組件加工完成後，通常會透過自動化物料搬運或傳送帶進行運輸，這也需要位置感測功能。

在工廠以外的場合，很多地方也需要位置控制，比如那些可以移動患者或掃描儀的大型醫療設備。另外，機器人現在能夠做手術，這同樣需要非常精確的控制。

在交通運輸領域，每一種應用都涉及到運動。無論是火車、農用機械、建築機械等傳統交通工具，或是倉儲中的自主移動機器人(AMR)和成千上萬的無人機等新興應用，都需要位置感測。

隨著所有驅動方式(內燃機(ICE)、純電驅動(EV)和混合動力)的乘用車都在朝電氣化方向發展，機械控制方案正在被「線傳油門控制(Drive by Wire)」和「線傳轉向控制(Steer by Wire)」等系統所取代。為了使這些系統正常運作，必須將油門踏板(加速器)的位置資訊傳送給電子控制單元(ECU)，或者將方向盤的位置資訊傳送給轉向控制系統。

隨著電子控制擴展到車輛操作的幾乎所有方面，位置感測技術也廣泛應用於懸吊系統零組件(用於調平/行駛控制)、動力系統以及電動車窗、天窗、門鎖等地方。

位置感測技術比較

旋轉位置感測主要使用三種技術，即光學、磁性和電感技術(圖1)，每種技術都有各自的工作模式、優點、缺點和應用場景。

光學編碼器通常被認為是準確度最高的方案(儘管並非在所有情況下皆為如此)，其工作原理是讓光穿過帶孔的圓盤，在圓盤旋轉時，利用光脈衝來檢測運動。

通常，這類元件用於需要極高精度的應用，例如精密機器人以及數控車床或雷射切割機等機床。雖然光學編碼器精度高且對磁場不敏感，但易受圓盤上的振動和污垢影響，這些因素可能會導致它們失效。

磁性編碼器往往精度較低，主要用於對成本非常敏感的應用。磁性編碼器在存在振動和污染的情況下表現良好，但外部磁場會對其造成明顯的影響，限制了它們的適用範圍。

電感式編碼器精度優於磁性編碼器，能夠承受較高程度的振動和污染，而且對磁場並不敏感。其他優點包括：可重複性佳、對溫度不敏感、元件數量少、尺寸小，以及不需要稀土材料作為磁體。

雙電感位置感測器方案

考量電感式位置感測器的優勢，業者開發出相關解決方案，例如安森美(onsemi)便推出NCS32100雙電感位置感測器(圖2)，透過兩個PCB盤，實現精度優於+50角秒或者機械旋轉0.0138度的非接觸式位置精度。一個PCB固定在電機定子(靜止部分)上，另一個單層PCB則固定在轉子或軸上。兩個PCB平行放置，中間以0.1mm至2.5mm的氣隙分隔。NCS32100位於定子PCB上。

該解決方案中，粗細(雙)導電走線或線圈印刷在兩個盤面上。第三條導電跡線稱為勵磁線圈，印刷在定子PCB上。NCS32100向勵磁線圈發送4MHz正弦波，使定子勵磁線圈周圍產生電磁場。根據法拉第互感定律，轉子的粗細走線線圈與電磁場相交，將能量耦合到轉子線圈中，形成渦流。同時，定子的粗細線圈連接最多八個NCS32100接收器輸入。當轉子旋轉時，轉子的渦流會干擾定子接收線圈。NCS32100透過其內部數位訊號處理器(DSP)的專有算法處理這些干擾，進而測量出轉子位置。

典型光學方案總共需要三塊PCB：光學圓盤、定子PCB和LED驅動器PCB，實現全部功能需要大約100個元件。相比之下，基於NC32100的方案僅需要兩塊PCB：轉子是不含任何元件的單層PCB，而定子PCB僅包含12個元件(表1)。