簡介

既然趨勢是轉(zhuǎn)向“無傳感器”，電機(jī)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(dāng)復(fù)雜，但位置傳感器基本上將長期使用。在電動工具等應(yīng)用中，采用無傳感器設(shè)計的方波驅(qū)動無刷直流電機(jī)或場定向控制 (FOC) 無刷交流電機(jī)均無需任何旋轉(zhuǎn)角度傳感器即可工作。但實際情況是，工業(yè)和類人機(jī)器人、自主移動機(jī)器人和直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)等終端設(shè)備肯定需要旋轉(zhuǎn)角度傳感器或線性位置傳感器。

使用位置傳感器進(jìn)行無刷電機(jī)控制

位置傳感器不僅用于無刷直流電機(jī)或無刷交流電機(jī)的定子電流換向，還用于速度和位置控制。工業(yè)多軸機(jī)器人通常在電機(jī)軸和機(jī)器人軸之間裝有一個齒輪。與電機(jī)軸耦合的旋轉(zhuǎn)角度傳感器不僅需要檢測轉(zhuǎn)子角度，還需要計算電機(jī)軸的轉(zhuǎn)數(shù)，從而控制相應(yīng)機(jī)器人軸的等效絕對角度位置。編碼器類型因具體應(yīng)用而異。

增量和絕對編碼器

增量編碼器通常使用ABZ 數(shù)字或模擬單向接口，其中兩個正交編碼的數(shù)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(xiàn)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(jī)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(xiàn)之前旋轉(zhuǎn)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(yīng)用。

相反，單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)絕對旋轉(zhuǎn)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(yīng)商的協(xié)議，還可實現(xiàn)時間觸發(fā)角度測量并提供旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)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(yè)應(yīng)用。位置分辨率通常取決于通過數(shù)字接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。例如，采用 20 位整數(shù)格式的角度分辨率為 360/220；0h = 0 度、0xFFFFF = 360 度 - 360/220。系統(tǒng)整體噪聲明顯高于量化噪聲；該效應(yīng)由有效位數(shù) (ENOB) 表征。

方程式1 通過角度的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)偏差(1 σ)。圖 1 展示了角度精度；相關(guān)角度誤差大于標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)范圍內(nèi)的非線性度。

圖 1：靜態(tài)角度分布

編碼器的 FOC 電機(jī)控制技術(shù)和要求

圖2 中顯示的 FOC 方法是一種高性能技術(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)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(jī)最大限度地增加轉(zhuǎn)矩。FOC 可提供平滑的轉(zhuǎn)矩以及從靜止到高速運(yùn)行的快速瞬態(tài)響應(yīng)。精確、低延遲的轉(zhuǎn)子磁場角度測量會將三個定子相電流（i U 、iV 和i W ）分解至轉(zhuǎn)子磁場定向坐標(biāo)系中，其中iq 為轉(zhuǎn)矩生成電流、id 為弱磁電流。

在人形機(jī)器人等終端設(shè)備中，絕對旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度與電機(jī)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(yùn)行控制算法和在下一個 PWM 周期更新脈寬調(diào)制器 (PWM)。

可以將旋轉(zhuǎn)角度傳感器集成到電機(jī)外殼中，這類似于大多數(shù)人形機(jī)器人中的設(shè)計，也可以將傳感器集成在單獨(dú)的外殼中，以便安裝到電機(jī)軸上。這兩種情況都需要在溫度通常高達(dá) 125°C 的環(huán)境下運(yùn)行。在控制 MCU 靠近旋轉(zhuǎn)編碼器放置的人形機(jī)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(zhuǎn)電機(jī)，基于直線電機(jī)的運(yùn)輸系統(tǒng)需要絕對線性位置檢測，但仍然應(yīng)用FOC 來獲得最大轉(zhuǎn)矩。12 位位置分辨率（延遲低于 100μs）通常足夠。

此外，要在工業(yè)機(jī)械中實現(xiàn)國際電工委員會62061 或國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 13849 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能安全，需要根據(jù)安全完整性等級或性能等級確定經(jīng)安全認(rèn)證的編碼器，并使用位置傳感器進(jìn)行額外診斷，從而檢測隨機(jī)硬件故障。在汽車應(yīng)用中，根據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的系統(tǒng)會在系統(tǒng)啟動期間運(yùn)行診斷，而工業(yè)系統(tǒng)通常全天候運(yùn)行，因此需要在正常運(yùn)行期間進(jìn)行持續(xù)診斷。

圖 2：級聯(lián)位置、速度和 FOC

位置傳感器技術(shù)

主要類型的位置傳感器包括光學(xué)傳感器、磁傳感器、電感式傳感器或電容式傳感器。光學(xué)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(tǒng)總成本。在工業(yè)或汽車系統(tǒng)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(shù)（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(huán)境（例如電機(jī)集成導(dǎo)致的高溫）中的成本敏感型系統(tǒng)，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(jīng)濟(jì)高效的方法，可用于檢測旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動，同時在含有灰塵、油和水的惡劣環(huán)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(zhuǎn)換為電信號并生成輸出信號。磁性位置傳感器技術(shù)種類繁多，包括霍爾效應(yīng)、AMR、隧穿磁阻 (TMR) 和巨磁阻 (GMR)。表 1 列出了每種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

表 1：磁傳感器技術(shù)比較：主要特性和規(guī)格

(1) 增益和偏移校準(zhǔn)后

(2) 增益、偏移和正交性校準(zhǔn)后

采用 3D 霍爾效應(yīng)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(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)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(shè)接口 (SPI) 總線連接到單個 MCU，如圖 3 中所示。

TMAG5170 3D 霍爾效應(yīng)傳感器具有三個主要優(yōu)勢：高精度、低延遲和電路板靈活放置。全溫度范圍內(nèi)的靈敏度誤差漂移小于 2.8%。10MHz SPI 可實現(xiàn)低延遲。此外，板載 3D 感應(yīng)元件支持可配置的 XY、YZ 或 XZ 感應(yīng)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(yīng)傳感器的低延遲精確線性位置檢測參考設(shè)計采用以 25mm 間隔放置的 TMAG5170，以實現(xiàn)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(shù)據(jù)，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(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中的 TMAG5170

采用 AMR 傳感器的旋轉(zhuǎn)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(qiáng)度。

與霍爾效應(yīng)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(qū)動器等應(yīng)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(xiàn)更強(qiáng)的整體抗擾性。

TMAG6180-Q1 2D AMR 角度傳感器可測量磁場，并產(chǎn)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(yùn)動引起的角度誤差。集成的霍爾效應(yīng)開關(guān)可產(chǎn)生兩個數(shù)字象限輸出（Q0 和 Q1），從而將角度檢測范圍擴(kuò)展到 360 度。結(jié)合正弦和余弦波形，Q0 和 Q1 數(shù)字輸出足以確定絕對旋轉(zhuǎn)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(yīng)集成一個高速、高 ENOB 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，應(yīng)能夠運(yùn)行有限脈沖響應(yīng)濾波器等數(shù)字濾波器來消除信號鏈噪聲，并應(yīng)具有額外的補(bǔ)償算法來消除機(jī)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(shè)計是一種小尺寸（直徑為 3cm）參考設(shè)計，采用 TMAG6180-Q1 和 MSPM0G3507 MCU，集成雙 12 位 ADC（支持高達(dá) 128 倍的過采樣）并配備一個數(shù)學(xué)加速器，有助于提高效率并降低系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)可用于角度測量，SNR 達(dá) 94.7dB（相當(dāng)于 15.4 ENOB）且角度誤差低于 0.05°，如圖 6 所示。

圖6：偏移校準(zhǔn)后 25°C 溫度下單轉(zhuǎn)范圍內(nèi)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(yōu)勢。它們的主要優(yōu)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(shù)中，只需要將一個導(dǎo)電金屬靶標(biāo)（無需磁體）靠近感應(yīng)線圈，即可確定金屬靶標(biāo)圍繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)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(yīng)線圈一個）的絕對編碼器。游標(biāo)編碼需要使用兩個感應(yīng)線圈：外部傳感器靶標(biāo)可以有 16 個金屬位置；內(nèi)部靶標(biāo)可以有 15 個金屬位置。等間距排布兩個靶標(biāo)，這樣可在整個旋轉(zhuǎn)過程中強(qiáng)制形成獨(dú)特模式，從而能夠以較高的精度獲得絕對角度。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)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(gòu)建在印刷電路板上，而旋轉(zhuǎn)變壓器則構(gòu)建在具有銅線繞組齒槽的厚鋼疊層上。旋轉(zhuǎn)變壓器的機(jī)械結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致其構(gòu)建成本昂貴。最后，功耗問題也尤為突出：旋轉(zhuǎn)變壓器極易消耗500mW 的功率（假設(shè) 7VRMS 下70mA 電流）。

圖 7：使用 LDC5072-Q1 的絕對編碼器

結(jié)語

如何選擇最合適的位置傳感器取決于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的要求，其中成本、性能、工作溫度和尺寸均是最重要權(quán)衡因素。另一方面，還需考慮是否在工業(yè)或汽車解決方案中添加額外的診斷或功能安全設(shè)計。每種電機(jī)和編碼器類型都有各自的要求，因此必須選擇最適合應(yīng)用的傳感器類型。

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