引言

當(dāng)前，電機(jī)設(shè)計(jì)正朝著“無(wú)位置傳感器”的方向發(fā)展。 那么，電機(jī)中是否還需要位置傳感器呢？這個(gè)問題的完整答案相當(dāng)復(fù)雜，但總體而言，位置傳感器仍將長(zhǎng)期存在。在電動(dòng)工具等應(yīng)用中，采用無(wú)傳感器設(shè)計(jì)的方波驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)或場(chǎng)定向控制 (FOC) 無(wú)刷交流電機(jī)，確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需任何旋轉(zhuǎn)角度傳感器即可工作。但實(shí)際情況是，工業(yè)和人形機(jī)器人、自主移動(dòng)機(jī)器人和直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)等終端設(shè)備，旋轉(zhuǎn)角度傳感器或線性位置傳感器依然是不可或缺的關(guān)鍵組件。

使用位置傳感器進(jìn)行無(wú)刷電機(jī)控制

位置傳感器不僅用于無(wú)刷直流電機(jī)或無(wú)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(gè)齒輪。與電機(jī)軸耦合的旋轉(zhuǎn)角度傳感器不僅需要檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度，還需要計(jì)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(duì)角度位置。編碼器類型因具體應(yīng)用而異。

增量和絕對(duì)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(gè)正交編碼的數(shù)字脈沖序列信號(hào)（A 和 B）或兩個(gè)模擬正弦/余弦信號(hào)（A 和 B）可實(shí)現(xiàn)低延遲相對(duì)角度測(cè)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(duì)機(jī)械角度信息。增量編碼器不會(huì)在啟動(dòng)時(shí)提供絕對(duì)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(dòng)時(shí)獲得絕對(duì)角度的變速應(yīng)用。

相反，單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)絕對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器在啟動(dòng)時(shí)可提供絕對(duì)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(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)角度測(cè)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(cè)得）計(jì)算角度的 ENOB：

方程式 1

角度噪聲信號(hào)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(chǎng)角度測(cè)量會(huì)將三個(gè)定子相電流（iU、iV和 iW）分解至轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(duì)旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)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(shí)檢測(cè)。低于 20μs 的低延遲角度測(cè)量為微控制器 (MCU)提供了足夠的時(shí)間來(lái)運(yùn)行控制算法和在下一個(gè) PWM 周期更新脈寬調(diào)制器 (PWM)。

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(duì)線性位置檢測(cè)，但仍然應(yīng)用FOC來(lái)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(shí)現(xiàn)國(guó)際電工委員會(huì) 62061 或國(guó)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(jí)或性能等級(jí)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(cè)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(jì)的系統(tǒng)會(huì)在系統(tǒng)啟動(dòng)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(jí)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?？商峁┳罡叻直媛剩ǖ艂鞲衅骱碗姼惺絺鞲衅鞲煽浚⑶铱梢越档拖到y(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(dòng)，這就要求使用不受雜散磁場(chǎng)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(duì)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(cè)旋轉(zhuǎn)或線性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(cè)磁場(chǎng)變化，將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并生成輸出信號(hào)。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(dòng)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(gè)位置傳感器通過高速串行外設(shè)接口 (SPI) 總線連接到單個(gè) MCU，如圖 3 中所示。

TMAG5170 3D 霍爾效應(yīng)傳感器具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：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(shí)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(duì)于磁體放置傳感器時(shí)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(cè)參考設(shè)計(jì)采用以 25mm 間隔放置的 TMAG5170，以實(shí)現(xiàn)精確的低延遲線性位置檢測(cè)。C2000 MCU以 ≥ 8kHz 的采樣率從全部四個(gè)TMAG5170傳感器讀取磁場(chǎng) Z 和 X 的數(shù)據(jù)，并計(jì)算移動(dòng)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(gè)磁阻惠斯通電橋，其中兩個(gè)電橋的輸出端子的電壓差將反映外部磁場(chǎng)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(duì)可以忽略不計(jì)。在需要高精度編碼器的伺服驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，AMR 傳感器通常更適合，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩拇艌?chǎng)耐受度，可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的整體抗擾性。

TMAG6180-Q1 2D AMR 角度傳感器可測(cè)量磁場(chǎng)，并產(chǎn)生兩個(gè)與這些磁場(chǎng)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(dòng)引起的角度誤差。集成的霍爾效應(yīng)開關(guān)可產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)字象限輸出（Q0 和 Q1），從而將角度檢測(cè)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(duì)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(gè)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(lái)消除信號(hào)鏈噪聲，并應(yīng)具有額外的補(bǔ)償算法來(lái)消除機(jī)械容差及信號(hào)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(duì)角度編碼器參考設(shè)計(jì)是一種小尺寸（直徑為 3cm）參考設(shè)計(jì)，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(gè)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(cè)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(cè)

與磁傳感器相比，電感式角度傳感器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它們的主要優(yōu)勢(shì)是對(duì)外部直流電場(chǎng)具有固有的磁場(chǎng)抗擾性。此外，在電感技術(shù)中，只需要將一個(gè)導(dǎo)電金屬靶標(biāo)（無(wú)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(shí)的位置。

圖 7 顯示了使用兩個(gè)LDC5072-Q1電感式傳感器（每個(gè)感應(yīng)線圈一個(gè)）的絕對(duì)編碼器。游標(biāo)編碼需要使用兩個(gè)感應(yīng)線圈：外部傳感器靶標(biāo)可以有 16 個(gè)金屬位置；內(nèi)部靶標(biāo)可以有 15 個(gè)金屬位置。等間距排布兩個(gè)靶標(biāo)，這樣可在整個(gè)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(duì)角度。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)變壓器的功能與絕對(duì)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(duì)編碼器

結(jié)語(yǔ)

如何選擇最合適的位置傳感器取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)。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。