利用設(shè)計(jì)工具提高位置傳感器系統(tǒng)精度

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (EMDS) 高度依賴位置編碼器來(lái)提升效率，并滿足日益嚴(yán)苛的法規(guī)要求。如圖 1 所示，位置編碼器將感知到的速度和位置信息反饋給控制器，從而實(shí)現(xiàn)高精度電機(jī)控制和同步。位置編碼器種類繁多，包括機(jī)械式、光學(xué)式、磁式或電感式。

圖1 通過(guò)編碼器實(shí)現(xiàn)高精度電機(jī)控制和同步

值得注意的是，旋轉(zhuǎn)電感編碼器在惡劣環(huán)境下具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠有效抵抗污垢、磁性碎屑、濕氣和沖擊等污染因素的影響。這些器件基于法拉第電磁相互感應(yīng)原理，在工業(yè) 4.0 的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，能夠測(cè)量變速箱、踏板、機(jī)械臂等眾多工業(yè)系統(tǒng)的位置移動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)電感傳感器原理

典型的旋轉(zhuǎn)電感編碼器有三個(gè)主要部件，如圖 2 所示。轉(zhuǎn)子安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸上，定子安裝在編碼器外殼上。轉(zhuǎn)子和定子都有扁平線圈，這些線圈被集成在 PCB 上，而位置感知器件（例如安森美 (onsemi) 的 NCS32100 電感位置傳感器）通常安裝在定子上。

感知器件將正弦波（NCS32100 為 4 MHz）傳輸?shù)蕉ㄗ由系膭?lì)磁線圈，該線圈起到天線的作用，將能量耦合到轉(zhuǎn)子的接收線圈中。定子也有一組接收線圈，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，其線圈中的耦合能量會(huì)對(duì)定子接收線圈產(chǎn)生擾動(dòng)。感知器件與定子接收線圈相連以接收輸入信號(hào)，并通過(guò)分析定子接收線圈中的擾動(dòng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置。

通過(guò)增加轉(zhuǎn)子和定子線圈的數(shù)量，改變線圈的模式，以及增加感知器件接收的輸入數(shù)量，可以提高旋轉(zhuǎn)電感編碼器的分辨率和精度。

圖2 旋轉(zhuǎn)電感編碼器有三個(gè)主要部件

安森美NCS32100簡(jiǎn)介

NCS32100 是一款新近獲得專利的雙電感傳感器，非常適合工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用，包括機(jī)器人、電機(jī)控制和定位、伺服應(yīng)用等。

NCS32100 支持靜態(tài)高速應(yīng)用，在高達(dá) 6,000 rpm 的轉(zhuǎn)速下可實(shí)現(xiàn) 50 角秒或更高的精度，功能轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高可達(dá) 45,000 rpm。

全功能控制器和傳感器接口與非接觸式 PCB 傳感器配合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度角度感知。該器件具有高度可配置的 8 通道傳感器接口，支持連接多種類型的電感傳感器，并提供豐富的數(shù)字輸出格式。此外，它還提供了速度、溫度和備用電池測(cè)量，集成的電源電路支持寬 VCC 范圍和備用電池能力。

安森美基于Web的設(shè)計(jì)工具

旋轉(zhuǎn)電感編碼器的整體分辨率和精度，取決于定子和轉(zhuǎn)子 PCB 的設(shè)計(jì)以及感知器件的性能。PCB 設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，對(duì)走線寬度和間距、通孔焊盤直徑、鉆孔直徑、銅和絕緣層的厚度等參數(shù)都有嚴(yán)格的容差要求。

鑒于不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)會(huì)極大地影響編碼器的性能，安森美創(chuàng)建了基于 Web 的 NCS32100 PCB 設(shè)計(jì)工具，以指導(dǎo)工程師完成必要的 PCB 設(shè)計(jì)步驟。使用該工具時(shí)，用戶遵循三步流程（參見(jiàn)圖 3）：首先輸入一組明確的數(shù)據(jù)來(lái)描述編碼器設(shè)計(jì)，然后生成轉(zhuǎn)子和定子 PCB 的詳細(xì)圖紙，最后根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行仿真。用戶運(yùn)行的這些仿真根據(jù)輸入?yún)?shù)模擬接收器輸入幅度和角度誤差（角秒），通過(guò)迭代這些參數(shù)，解決方案就能針對(duì)成本和精度要求進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 使用NCS32100 PCB設(shè)計(jì)工具的三步開(kāi)發(fā)流程

安森美助您更快實(shí)現(xiàn)盈利

旋轉(zhuǎn)電感編碼器因其穩(wěn)健性和抗污染能力，成為惡劣工業(yè)環(huán)境中電機(jī)控制方案的常見(jiàn)選擇。雖然安森美的 NCS32100 傳感器為設(shè)計(jì)人員提供了高度精確且可配置的方案，但糟糕的 PCB 設(shè)計(jì)可能會(huì)降低任何使用該傳感器的編碼器系統(tǒng)的整體性能。NCS32100 PCB 設(shè)計(jì)工具讓設(shè)計(jì)人員能夠放心地優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)，而無(wú)需投入資源進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。PCB 線圈設(shè)計(jì)工具支持一系列輸入選項(xiàng)的快速迭代，幫助設(shè)計(jì)人員根據(jù)成本和精度要求迅速優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)，從而加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

工業(yè)系統(tǒng)制造商對(duì)其基于 NCS32100 的設(shè)計(jì)的精度充滿信心，因?yàn)樵诎采肋M(jìn)行的測(cè)試中，該器件的精度水平可與被視為行業(yè)標(biāo)桿的精密 Gurley 編碼器相媲美。