|
作者：德州儀器 簡介 既然趨勢是轉向“無傳感器”，電機中是否仍然需要使用位置傳感器？這個問題的完整答案相當復雜，但位置傳感器基本上將長期使用。在電動工具等應用中，采用無傳感器設計的方波驅動無刷直流電機或場定向控制 (FOC) 無刷交流電機均無需任何旋轉角度傳感器即可工作。但實際情況是，工業和類人機器人、自主移動機器人和直線電機運輸系統等終端設備肯定需要旋轉角度傳感器或線性位置傳感器。 使用位置傳感器進行無刷電機控制 位置傳感器不僅用于無刷直流電機或無刷交流電機的定子電流換向，還用于速度和位置控制。工業多軸機器人通常在電機軸和機器人軸之間裝有一個齒輪。與電機軸耦合的旋轉角度傳感器不僅需要檢測轉子角度，還需要計算電機軸的轉數，從而控制相應機器人軸的等效絕對角度位置。編碼器類型因具體應用而異。 增量和絕對編碼器 增量編碼器通常使用 ABZ 數字或模擬單向接口，其中兩個正交編碼的數字脈沖序列信號（A 和 B）或兩個模擬正弦/余弦信號（A 和 B）可實現低延遲相對角度測量，分辨率從約 10 位到最高 28 位不等。可選索引（Z 或 I）可提供絕對機械角度信息。增量編碼器不會在啟動時提供絕對角度，而需要在索引出現之前旋轉最多一周。因此，這些編碼器非常適合需要極低延遲 (<1μs) 但不需要在啟動時獲得絕對角度的變速應用。 相反，單轉或多轉絕對旋轉編碼器在啟動時可提供絕對角度位置。它們配備雙向 RS-485 接口，支持特定于供應商的協議，還可實現時間觸發角度測量并提供旋轉速度和旋轉圈數等信息。角度分辨率通常從 10 位到 >30 位不等，延遲低至 10μs，可滿足各種工業應用。位置分辨率通常取決于通過數字接口傳輸的數據格式。例如，采用 20 位整數格式的角度分辨率為 360/220；0h = 0 度、0xFFFFF = 360 度 - 360/220。系統整體噪聲明顯高于量化噪聲；該效應由有效位數 (ENOB) 表征。 方程式 1 通過角度的標準偏差（以度為單位測得）計算角度的 ENOB： ENOB [bit] = (20′log10(360/stdev(angle)) - 1.76)/6.02 方程式 1 角度噪聲信號的均方根等于標準偏差 (1 σ)。圖 1 展示了角度精度；相關角度誤差大于標準偏差。角度精度不僅取決于通常采用 6 σ 值的峰值噪聲，還取決于單轉范圍內的非線性度。 
圖 1：靜態角度分布 編碼器的 FOC 電機控制技術和要求 圖 2 中顯示的 FOC 方法是一種高性能技術，可根據轉子磁通角控制生成的定子電流矢量，從而通過永磁同步電機最大限度地增加轉矩。FOC 可提供平滑的轉矩以及從靜止到高速運行的快速瞬態響應。精確、低延遲的轉子磁場角度測量會將三個定子相電流（iU、iV 和 iW）分解至轉子磁場定向坐標系中，其中 iq 為轉矩生成電流、id 為弱磁電流。 在人形機器人等終端設備中，絕對旋轉角度的測量精度通常為 1 度至 0.1 度，ENOB 為 12 位至 15 位，采樣率為 8kHz 至 32kHz。旋轉角度與電機相電流同時檢測。低于 20μs 的低延遲角度測量為微控制器 (MCU) 提供了足夠的時間來運行控制算法和在下一個 PWM 周期更新脈寬調制器 (PWM)。 可以將旋轉角度傳感器集成到電機外殼中，這類似于大多數人形機器人中的設計，也可以將傳感器集成在單獨的外殼中，以便安裝到電機軸上。這兩種情況都需要在溫度通常高達 125°C 的環境下運行。在控制 MCU 靠近旋轉編碼器放置的人形機器人中，360 度角度傳感器（例如 TI 的 TMAG6180-Q1 各向異性磁阻 (AMR) 傳感器）提供了一種具有成本效益和低延遲的接口。 不同于旋轉電機，基于直線電機的運輸系統需要絕對線性位置檢測，但仍然應用 FOC 來獲得最大轉矩。12 位位置分辨率（延遲低于 100μs）通常足夠。 此外，要在工業機械中實現國際電工委員會 62061 或國際標準化組織 (ISO) 13849 等標準規定的功能安全，需要根據安全完整性等級或性能等級確定經安全認證的編碼器，并使用位置傳感器進行額外診斷，從而檢測隨機硬件故障。在汽車應用中，根據 ISO 26262 標準設計的系統會在系統啟動期間運行診斷，而工業系統通常全天候運行，因此需要在正常運行期間進行持續診斷。
圖 2：級聯位置、速度和 FOC 位置傳感器技術 主要類型的位置傳感器包括光學傳感器、磁傳感器、電感式傳感器或電容式傳感器。光學傳感器通常可提供最高分辨率（但磁傳感器和電感式傳感器更可靠），并且可以降低系統總成本。在工業或汽車系統中，附近線路中存在大電流流動，這就要求使用不受雜散磁場影響的傳感器技術（例如電感式）。電容式傳感器的分辨率通常低于電感式傳感器和磁傳感器，而且電容式傳感器并不常見。 對于惡劣環境（例如電機集成導致的高溫）中的成本敏感型系統，TI 提供磁性和電感式位置傳感器。 磁性位置傳感器 磁編碼器提供了一種經濟高效的方法，可用于檢測旋轉或線性運動，同時在含有灰塵、油和水的惡劣環境中保持抗擾性。磁性位置傳感器可檢測磁場變化，將磁場變化轉換為電信號并生成輸出信號。磁性位置傳感器技術種類繁多，包括霍爾效應、AMR、隧穿磁阻 (TMR) 和巨磁阻 (GMR)。表 1 列出了每種傳感器的優缺點。 表 1：磁傳感器技術比較：主要特性和規格
(1) 增益和偏移校準后 (2) 增益、偏移和正交性校準后 采用 3D 霍爾效應線性傳感器的線性位置示例 在有效載荷載體以 5m/s 至 15m/s 的速度快速移動的直線電機運輸系統中，12 位位置分辨率（延遲低于 100μs 且采樣率 ≤8kHz）通常足夠，而多個位置傳感器通過高速串行外設接口 (SPI) 總線連接到單個 MCU，如圖 3 中所示。 TMAG5170 3D 霍爾效應傳感器具有三個主要優勢：高精度、低延遲和電路板靈活放置。全溫度范圍內的靈敏度誤差漂移小于 2.8%。10MHz SPI 可實現低延遲。此外，板載 3D 感應元件支持可配置的 XY、YZ 或 XZ 感應方向，從而提高相對于磁體放置傳感器時的靈活性。 具有四通道 3D 霍爾效應傳感器的低延遲精確線性位置檢測參考設計采用以 25mm 間隔放置的 TMAG5170，以實現精確的低延遲線性位置檢測。C2000™ MCU 以 ≥ 8kHz 的采樣率從全部四個 TMAG5170 傳感器讀取磁場 Z 和 X 的數據，并計算移動磁體的位置，誤差小于 0.15mm、延遲低于 57.5μs。
圖 3：直線電機運輸系統中的 TMAG5170 采用 AMR 傳感器的旋轉角度示例 AMR 傳感器包含四個磁阻惠斯通電橋，其中兩個電橋的輸出端子的電壓差將反映外部磁場強度。 與霍爾效應傳感器相比，AMR 傳感器具有更高的工作頻率和更高的信噪比 (SNR)。與 GMR 和 TMR 傳感器相比，AMR 傳感器的正交誤差相對可以忽略不計。在需要高精度編碼器的伺服驅動器等應用中，AMR 傳感器通常更適合，因為它們具有更高的磁場耐受度，可實現更強的整體抗擾性。 TMAG6180-Q1 2D AMR 角度傳感器可測量磁場，并產生兩個與這些磁場成正比的差分（或單端）電壓輸出。TMAG6180-Q1 的延遲低于 2μs，還可以更大限度地降低高速運動引起的角度誤差。集成的霍爾效應開關可產生兩個數字象限輸出（Q0 和 Q1），從而將角度檢測范圍擴展到 360 度。結合正弦和余弦波形，Q0 和 Q1 數字輸出足以確定絕對旋轉角度。圖 4 是 TMAG6180-Q1 的功能方框圖，圖 5 則顯示了輸出波形。
圖 4：TMAG6180-Q1 方框圖
圖 5：TMAG6180-Q1 輸出波形 為了獲得更高的精度，MCU 應集成一個高速、高 ENOB 的模數轉換器，應能夠運行有限脈沖響應濾波器等數字濾波器來消除信號鏈噪聲，并應具有額外的補償算法來消除機械容差及信號鏈增益和偏移不匹配造成的誤差。采用 AMR 傳感器的高分辨率低延遲緊湊型絕對角度編碼器參考設計是一種小尺寸（直徑為 3cm）參考設計，采用 TMAG6180-Q1 和 MSPM0G3507 MCU，集成雙 12 位 ADC（支持高達 128 倍的過采樣）并配備一個數學加速器，有助于提高效率并降低系統成本。該系統可用于角度測量，SNR 達 94.7dB（相當于 15.4 ENOB）且角度誤差低于 0.05°，如圖 6 所示。
圖 6：偏移校準后 25°C 溫度下單轉范圍內的角度誤差 電感式位置檢測 與磁傳感器相比，電感式角度傳感器具有多項優勢。它們的主要優勢是對外部直流電場具有固有的磁場抗擾性。此外，在電感技術中，只需要將一個導電金屬靶標（無需磁體）靠近感應線圈，即可確定金屬靶標圍繞電機軸旋轉時的位置。 圖 7 顯示了使用兩個 LDC5072-Q1 電感式傳感器（每個感應線圈一個）的絕對編碼器。游標編碼需要使用兩個感應線圈：外部傳感器靶標可以有 16 個金屬位置；內部靶標可以有 15 個金屬位置。等間距排布兩個靶標，這樣可在整個旋轉過程中強制形成獨特模式，從而能夠以較高的精度獲得絕對角度。 機械旋轉變壓器的功能與絕對電感式編碼器相同，但尺寸和重量等方面存在不足。電感式編碼解決方案可直接構建在印刷電路板上，而旋轉變壓器則構建在具有銅線繞組齒槽的厚鋼疊層上。旋轉變壓器的機械結構也導致其構建成本昂貴。最后，功耗問題也尤為突出：旋轉變壓器極易消耗 500mW 的功率（假設 7VRMS 下 70mA 電流）。
圖 7：使用 LDC5072-Q1 的絕對編碼器 結語 如何選擇最合適的位置傳感器取決于電機驅動系統的要求，其中成本、性能、工作溫度和尺寸均是最重要權衡因素。另一方面，還需考慮是否在工業或汽車解決方案中添加額外的診斷或功能安全設計。每種電機和編碼器類型都有各自的要求，因此必須選擇最適合應用的傳感器類型。 |
