本文作者：Bob Card，安森美（onsemi）模擬與混合信號事業群 市場經理

機器人和協作機器人（cobots）能力的提高，意味著它們在工廠車間里可以承擔更多的工作，處理更復雜的任務，運行速度比以前更快，同時還能與人類更加緊密地合作。

這些變化意味著，在工業應用中，傳感器需要具備極高的精度，以確保在長時間運行期間的安全性和可靠性。

在運動感知方面，比如追蹤機械臂的位置和運動速度，已經有很多基于光學或磁性傳感的解決方案。然而，這些現有的檢測技術難以將高精度與抗污染能力相結合。相反，電感式檢測技術正逐漸成為一種更優的解決方案，它為多種工業應用提供了可靠且強大的位置感知能力，并兼具精度和適應性。在本文中，我們將探討在對卓越性能和耐用性需求的推動下，電感式傳感器的應用日益廣泛，并將討論如何簡化它們在自動化系統中的集成。

不同傳感器技術的局限性

在機器人、汽車和工業等任何使用電機的自動化應用中，我們都需要確保對電機的精確控制。為此，我們需要知道電機轉子的位置和速度，轉子通常連接在軸上，并相對于固定的定子運動。最常用的技術有三種旋轉編碼器：光電、磁性和電感式。它們各有優缺點：

首先，光電編碼器精度高，對許多工業應用中的磁場不敏感。不過，它們的價格相對較高，而且很容易受到光碼盤、光源、光檢測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用中。雖然它們對污垢不敏感，但會受到磁場的負面影響。

電感式編碼器提供了一種克服這些主要缺點的解決方案：與磁性編碼器相比，電感式編碼器可實現更高的位置精度，同時又比光電編碼器便宜。由于電感式編碼器可以承受高污染、振動和外部磁場，因此非常適合工業應用等惡劣環境。

此外，電感式編碼器對溫度變化不敏感，而且元件數量少，從而減小了尺寸、成本和復雜性。從環保角度來看，電感式編碼器的另一個優點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

讓我們來看一個電感式傳感器的例子：安森美的NCS32100 位置傳感器體現了近期在電感式傳感領域的進步，具有堅固耐用、非接觸式操作和抗環境因素影響等特點。NCS32100 包括一個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，可實現高分辨率、高精度的角度檢測。它具有靈活的配置功能，可連接各種電感式傳感器樣例，并提供多種數字輸出格式。

圖 1 顯示了一個完整的旋轉電感器系統的橫截面。其中包括一個轉子和一個定子，它們都是印刷電路板（PCB），其中轉子安裝在中心軸上。該圖還顯示了安裝在靜態定子 PCB 上的 NCS32100， 以及電源和數據連接器。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：旋轉編碼器全貌

NCS32100 是一種絕對式編碼器，這意味著它可以在不旋轉圓盤的情況下推算出位置，這對于在啟動時或系統在停機期間發生變化時獲取位置特別有幫助。它的位置精度優于 ± 50 arcsec，即 0.0138 度機械旋轉角度，這是以前只有光電編碼器才能達到的精度水平。該精度可在轉速高達 6,000 轉/分鐘 (RPM) 的情況下實現，而 NCS32100 可在轉速高達 45,000 轉/分鐘的情況下運行 – 但此時精度會略有降低。

為了使 NCS32100 的集成盡可能簡單，安森美提供了各種工具和支持，以及用于 PCB 設計的基于 Web 的設計工具。其中包括 NCS32100 的參考設計，如圖 2 所示（藍色虛線左側的部分包含在定子 PCB 板上）。

圖 2：NCS32100 參考設計框圖（簡化版）

在位置檢測系統中，兩個圓盤（定子和轉子）表面都印有兩組導電走線或線圈（細線圈和粗線圈）。定子印刷電路板上還印有第三組稱為勵磁線圈的導電走線（圖 3）。

圖 3：NCS32100 雙電感式定位

NCS32100 向勵磁線圈發射 4 MHz 正弦波，在其周圍形成電磁場。根據法拉第電磁感應定律，轉子的細線圈和粗線圈與電磁場相交，以渦流的形式將能量耦合到轉子線圈上。這些轉子上的渦流在定子上的細線圈和粗線圈中耦合產生電壓（最高可達 100 mV），這些線圈也連接到NCS32100的八個接收器輸入端。

NCS32100通過解調八個接收器輸入來測量轉子位置，然后再將這些輸入轉換為數字信號并進行處理。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提供絕對位置和速度數據，這些數據通過評估板上的RS-485接口發送。

當轉子的轉速在 100 至 1000 轉/分鐘之間，只需一條指令，就能在兩秒鐘內完成傳感器的自校準。校準后的系數存儲在嵌入式閃存中。盡管性能出眾，但雙電感式方法在系統中的應用非常簡單。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 驅動器，總計達 100 個元器件。相比之下，基于 NCS32100 的解決方案只需要一對PCB板，元件數量不到其一半。這種電感式解決方案提供了與光電方案相同的精度。

汽車應用中的電感式位置傳感器

在本文中，我們已經討論了電感式編碼器在工業應用中的作用，但它們在汽車領域也有用武之地。

在汽車行業中，最重要的問題是安全性，這一點對于制動或轉向等關鍵應用尤為重要。安森美的 NCV77320 車規級絕對位置傳感器是按照 ISO26262 標準設計的，專門用于這些關鍵應用場景，例如剎車踏板傳感器、加速踏板傳感器、節氣門位置傳感器等。

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

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

結語

工廠車間是一個充滿潛在污染物的嘈雜環境，這對必須提供精度和可靠性的電子元件來說是一個嚴苛的工作場所。像NCS32100這樣的電感式位置編碼器正在應對這一挑戰。

隨著工業界繼續將效率和準確性放在首位，他們越來越依賴自動化。這意味著位置和運動感知技術的應用越來越廣泛，提供了所需的準確性和穩定性。精確的傳感器數據可幫助工業企業減少故障、延長維護周期、最大限度地提高產量，并最小化維護成本。