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電感式位置感測器改進工業馬達控制
[作者 Alessandro Maggioni]   2023年07月21日 星期五 瀏覽人次: [2462]

精確地控制馬達可以提升機器性能,從某種程度上改進機器人、電梯、汽車、電動工具等。現在,設計人員可以利用定位精度更高的電感式位置感測器,加以提升馬達的控制、精度和馬達性能。


無論是製造業還是運輸和娛樂業,各個領域的不斷進步往往都離不開機器性能的提升,為此我們需要能夠更輕鬆地以更高的精確度控制機器。


許多現代化機器至少有一個核心馬達,而以更高的精度控制馬達可以從某種程度上改進機器人、電梯、汽車、電動工具等等。馬達性能取決於精密的控制,而精密的馬達控制又取決於對馬達位置的精密檢測。要實現精密檢測,日益精確的感測器技術必不可少。


現在,設計人員可以利用定位精度更高的電感式位置感測器來提升馬達精度、馬達控制和馬達性能。


編碼器

磁性編碼器和光學編碼器的原理,都是利用馬達位置變化與其速度之間的關係。


磁性編碼器有多種類型,但其原理都是基於同一現象的不同變化形式。馬達配備一個或多個以不同方式安裝的磁鐵。當這些磁鐵相對於磁性檢測器移動時,磁場會隨著其相對移動成比例變化。


不同類型磁性編碼器的解析度各不相同,有時可能非常低,測量解析度僅為每轉數百個脈衝(PPR)。精確度的提高離不開精密的製造工藝。不同類型的尺寸和重量各異,極端溫度也可能對編碼器產生不利影響。


磁性感測器的缺點之一,是在受電磁干擾(EMI)影響的應用中可能不可靠,甚至根本不可用。


光學編碼器可檢測光脈衝,一種基本的實現方法是為馬達配備圓盤形格柵。當格柵旋轉時,光電二極體可檢測位於格柵表面或穿過格柵的光脈衝(光脈衝序列構成「編碼」,而這也是「光學編碼器」一詞的由來),通過該技術可確定旋轉速度和馬達的位置。


光學編碼器不受磁場影響,它們可能具有高解析度,並提供出色的精度,但其性能取決於安裝是否仔細。灰塵、煙塵甚至濕氣等環境污染物,很容易對光學編碼器造成損害,而極端溫度也可能對這些編碼器產生不利影響。無論是哪種感測器,高速的實現通常都以犧牲精度為代價,而精度的成本往往更高。



圖1 : 安森美NCS32100 旋轉位置感測器的功能說明。(source:onsemi)
圖1 : 安森美NCS32100 旋轉位置感測器的功能說明。(source:onsemi)

電感感測器

可與馬達結合使用的第三種感測器是電感感測器。雖然電感感測器實際上也是基於磁鐵原理,但它們測量的不是磁場的變化;而是電流—感應電流。


磁性檢測器用於檢測齒輪旋轉。當齒輪齒通過感測器時,會引起通量發生變化,從而在感測器中產生相應比例的電壓。該電壓可能與旋轉速度和旋轉方向有關。


電感感測器的使用歷史已近百年。電感位置感測器解決方案通常不易受振動、溫度變化和環境污染物影響。其機械結構往往更加簡單,因此更為可靠。過去20年,電感感測器在汽車市場越來越受歡迎,汽車中使用的電感感測器兼具低成本和高可靠性的特點,而且速度和精度都較低。


雙電感旋轉感測器

雙電感旋轉感測器是一種新型電感感測器。這些新電感位置感測器不僅速度快,而且精度高。


安森美(onsemi)提供的雙電感位置感測器由兩個印刷電路板(PCB)組成。一個是帶有兩個印刷電感的轉子;另一個是同時帶有印刷電感和一個編碼器 IC 的定子。該元件的精確度比38mm 感測器(±50 arcsec)更高。它在轉速高達6,000 RPM 時實現完整精確度(雖然它能夠以更高轉速工作,最大轉速可達100,000 RPM)。其單圈輸出解析度為 20 位,多圈輸出解析度為 24 位。



圖2 : 安森美NCS32100 旋轉位置感測器的電路圖。(source:onsemi)
圖2 : 安森美NCS32100 旋轉位置感測器的電路圖。(source:onsemi)

這是一款絕對編碼器(與增量編碼器相對),因此即使轉子不在移動,也能夠提供位置數據。


標準模組配備一個帶有韌體的嵌入式微控制器(MCU)。該控制器採用可編程的M0?ARM MCU,其輸出的是位置和速度,而不是原始模擬訊號。憑藉靈活的配置功能,該模組可連接到不同的電感感測器模式,並提供各種電子輸出格式。


該方法的機械結構簡單,並且組件數量更少。所需的外部組件(例如旁路電容、調諧電容等)數量也大幅減少。即插即用,比較容易校準,並具有糾錯/診斷功能,因此易於安裝和操作。與其他電感感測器一樣,安全性高、穩定可靠。該感測器以標準模組提供,但其基本設計便於實現其他配置。


該整合式解決方案專為滿足工業應用要求而設計。雙電感位置感測器的適用範圍,包括目前正在使用中高端光學編碼器的領域,以及機器人、工業驅動器、工廠自動化系統和各種工業機械等應用。


設計人員在評估感測器選項時,不僅要滿足應用的運行要求,還要考慮應用的長期使用壽命,後者至關重要。使用雙電感旋轉位置感測器有助於減少元件數量,延長運行壽命和簡化校準操作,進而實現降低整體成本。


(本文作者Alessandro Maggioni為安森美先進方案部歐洲、中東和非洲高級區域行銷經理)


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