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电感式位置感测器改进工业马达控制
[作者 Alessandro Maggioni]   2023年07月21日 星期五 浏览人次: [2465]

精确地控制马达可以提升机器性能,从某种程度上改进机器人、电梯、汽车、电动工具等。现在,设计人员可以利用定位精度更高的电感式位置感测器,加以提升马达的控制、精度和马达性能。


无论是制造业还是运输和娱乐业,各个领域的不断进步往往都离不开机器性能的提升,为此我们需要能够更轻松地以更高的精确度控制机器。


许多现代化机器至少有一个核心马达,而以更高的精度控制马达可以从某种程度上改进机器人、电梯、汽车、电动工具等等。马达性能取决於精密的控制,而精密的马达控制又取决於对马达位置的精密检测。要实现精密检测,日益精确的感测器技术必不可少。


现在,设计人员可以利用定位精度更高的电感式位置感测器来提升马达精度、马达控制和马达性能。


编码器

磁性编码器和光学编码器的原理,都是利用马达位置变化与其速度之间的关系。


磁性编码器有多种类型,但其原理都是基於同一现象的不同变化形式。马达配备一个或多个以不同方式安装的磁铁。当这些磁铁相对於磁性检测器移动时,磁场会随着其相对移动成比例变化。


不同类型磁性编码器的解析度各不相同,有时可能非常低,测量解析度仅为每转数百个脉冲(PPR)。精确度的提高离不开精密的制造工艺。不同类型的尺寸和重量各异,极端温度也可能对编码器产生不利影响。


磁性感测器的缺点之一,是在受电磁干扰(EMI)影响的应用中可能不可靠,甚至根本不可用。


光学编码器可检测光脉冲,一种基本的实现方法是为马达配备圆盘形格栅。当格栅旋转时,光电二极体可检测位於格栅表面或穿过格栅的光脉冲(光脉冲序列构成「编码」,而这也是「光学编码器」一词的由来),通过该技术可确定旋转速度和马达的位置。


光学编码器不受磁场影响,它们可能具有高解析度,并提供出色的精度,但其性能取决於安装是否仔细。灰尘、烟尘甚至湿气等环境污染物,很容易对光学编码器造成损害,而极端温度也可能对这些编码器产生不利影响。无论是哪种感测器,高速的实现通常都以牺牲精度为代价,而精度的成本往往更高。



图1 : 安森美NCS32100 旋转位置感测器的功能说明。(source:onsemi)
图1 : 安森美NCS32100 旋转位置感测器的功能说明。(source:onsemi)

电感感测器

可与马达结合使用的第三种感测器是电感感测器。虽然电感感测器实际上也是基於磁铁原理,但它们测量的不是磁场的变化;而是电流感应电流。


磁性检测器用於检测齿轮旋转。当齿轮齿通过感测器时,会引起通量发生变化,从而在感测器中产生相应比例的电压。该电压可能与旋转速度和旋转方向有关。


电感感测器的使用历史已近百年。电感位置感测器解决方案通常不易受振动、温度变化和环境污染物影响。其机械结构往往更加简单,因此更为可靠。过去20年,电感感测器在汽车市场越来越受欢迎,汽车中使用的电感感测器兼具低成本和高可靠性的特点,而且速度和精度都较低。


双电感旋转感测器

双电感旋转感测器是一种新型电感感测器。这些新电感位置感测器不仅速度快,而且精度高。


安森美(onsemi)提供的双电感位置感测器由两个印刷电路板(PCB)组成。一个是带有两个印刷电感的转子;另一个是同时带有印刷电感和一个编码器 IC 的定子。该元件的精确度比38mm 感测器(±50 arcsec)更高。它在转速高达6,000 RPM 时实现完整精确度(虽然它能够以更高转速工作,最大转速可达100,000 RPM)。其单圈输出解析度为 20 位,多圈输出解析度为 24 位。



图2 : 安森美NCS32100 旋转位置感测器的电路图。(source:onsemi)
图2 : 安森美NCS32100 旋转位置感测器的电路图。(source:onsemi)

这是一款绝对编码器(与增量编码器相对),因此即使转子不在移动,也能够提供位置数据。


标准模组配备一个带有韧体的嵌入式微控制器(MCU)。该控制器采用可编程的M0?ARM MCU,其输出的是位置和速度,而不是原始模拟讯号。凭藉灵活的配置功能,该模组可连接到不同的电感感测器模式,并提供各种电子输出格式。


该方法的机械结构简单,并且组件数量更少。所需的外部组件(例如旁路电容、调谐电容等)数量也大幅减少。即??即用,比较容易校准,并具有纠错/诊断功能,因此易於安装和操作。与其他电感感测器一样,安全性高、稳定可靠。该感测器以标准模组提供,但其基本设计便於实现其他配置。


该整合式解决方案专为满足工业应用要求而设计。双电感位置感测器的适用范围,包括目前正在使用中高端光学编码器的领域,以及机器人、工业驱动器、工厂自动化系统和各种工业机械等应用。


设计人员在评估感测器选项时,不仅要满足应用的运行要求,还要考虑应用的长期使用寿命,後者至关重要。使用双电感旋转位置感测器有助於减少元件数量,延长运行寿命和简化校准操作,进而实现降低整体成本。


(本文作者Alessandro Maggioni为安森美先进方案部欧洲、中东和非洲高级区域行销经理)


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