机器人市场，为什么建议选电感式传感器？

机器人和协作机器人（cobots）能力的提高，意味着它们在工厂车间里可以承担更多的工作，处理更复杂的任务，运行速度比以前更快，同时还能与人类更加紧密地合作。

这些变化意味着，在工业应用中，传感器需要具备极高的精度，以确保在长时间运行期间的安全性和可靠性。

在运动感知方面，比如追踪机械臂的位置和运动速度，已经有很多基于光学或磁性传感的解决方案。然而，这些现有的检测技术难以将高精度与抗污染能力相结合。相反，电感式检测技术正逐渐成为一种更优的解决方案，它为多种工业应用提供了可靠且强大的位置感知能力，并兼具精度和适应性。在本文中，我们将探讨在对卓越性能和耐用性需求的推动下，电感式传感器的应用日益广泛，并将讨论如何简化它们在自动化系统中的集成。

不同传感器技术的局限性

在机器人、汽车和工业等任何使用电机的自动化应用中，我们都需要确保对电机的精确控制。为此，我们需要知道电机转子的位置和速度，转子通常连接在轴上，并相对于固定的定子运动。最常用的技术有三种旋转编码器：光电、磁性和电感式。它们各有优缺点：

首先，光电编码器精度高，对许多工业应用中的磁场不敏感。不过，它们的价格相对较高，而且很容易受到光码盘、光源、光检测器或轴承磨损等污垢污染的影响。

另一种选择是磁性编码器，它是一种低成本解决方案。它们通常用于需要降低成本，且不需要高精度的大批量应用中。虽然它们对污垢不敏感，但会受到磁场的负面影响。

电感(gǎn)式(shì)编(biān)码(mǎ)器(qì)提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)种(zhǒng)克(kè)服(fú)这(zhè)些(xiē)主要(yào)缺(quē)点(diǎn)的(de)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)：与(yǔ)磁(cí)性(xìng)编(biān)码(mǎ)器(qì)相(xiāng)比(bǐ)，电(diàn)感(gǎn)式(shì)编(biān)码(mǎ)器(qì)可(kě)实(shí)现(xiàn)更(gèng)高(gāo)的(de)位(wèi)置(zhì)精(jīng)度(dù)，同(tóng)时(shí)又(yòu)比(bǐ)光(guāng)电(diàn)编(biān)码(mǎ)器(qì)便(biàn)宜(yi)。由于电感式编码器可以承受高污染、振动和外部磁场，因此非常适合工业应用等恶劣环境。

此外，电感式编码器对温度变化不敏感(gǎn)，而(ér)且(qiě)元(yuán)件(jiàn)数(shù)量(liàng)少(shǎo)，从(cóng)而(ér)减(jiǎn)小(xiǎo)了(le)尺(chǐ)寸(cùn)、成(chéng)本(běn)和(hé)复(fù)杂(zá)性(xìng)。从(cóng)环(huán)保(bǎo)角(jiǎo)度(dù)来(lái)看(kàn)，电(diàn)感(gǎn)式(shì)编(biān)码(mǎ)器(qì)的(de)另(lìng)一(yī)个(gè)优(yōu)点(diǎn)是(shì)不(bù)依(yī)赖(lài)于(yú)某(mǒu)些(xiē)磁(cí)铁(tiě)中(zhōng)使(shǐ)用(yòng)的(de)稀(xī)土(tǔ)材(cái)料(liào)。

NCS32100 双(shuāng)电(diàn)感(gǎn)式(shì)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)

让(ràng)我(wǒ)们(men)来(lái)看(kàn)一(yī)个(gè)电(diàn)感(gǎn)式(shì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)的(de)例(lì)子(zi)：安(ān)森(sēn)美(měi)的(de)NCS32100 位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)体(tǐ)现(xiàn)了(le)近(jìn)期(qī)在电感式传感领域的进步，具有坚固耐用、非接触式操作和抗环境因素影响等特点。NCS32100 包括一个全功能控制器和传感器接口，与合适的非接触式 PCB 传感器搭配使用时，可实现高分辨率、高精度的角度检测。它具有灵活的配置功能，可连接各种电感式传感器样例，并提供多种数字输出格式。

图 1 显(xiǎn)示(shì)了(le)一个完整的旋转电感器系统的横截面。其中包括一个转子和一个定子，它们都是印刷电路板（PCB），其中转子安装在中心轴上。该图还显示了安装在静态定子 PCB 上的 NCS32100， 以及电源和数据连接器。两块 PCB 板相互平行，中间通常有 0.1 毫米至 1 毫米的空气间隙。

NCS32100 是一种绝对式编码器，这意味着它可以在不旋转圆盘的情况下推算出位置，这对于在启动时或系统在停机期间发生变化时获取位置特别有帮助。它的位置精度优于 ± 50 arcsec，即 0.0138 度机械旋转角度，这是以前只有光电编码器才能达到的精度水平。该精度可在转速高达 6,000 转/分钟 (RPM) 的情况下实现，而 NCS32100 可在转速高达 45,000 转/分钟的情况下运行 – 但此时精度会略有降低。

为了使 NCS32100 的集成尽可能简单，安森美提供了各种工具和支持，以及用于 PCB 设计的基于 Web 的设计工具。其中包括 NCS32100 的参考设计，如图 2 所示（蓝色虚线左侧的部分包含在定子 PCB 板上）。

在位置检测系统中，两个圆盘（定子和转子）表面都印有两组导电走线或线圈（细线圈和粗线圈）。定子印刷电路板上还印有第三组称为励磁线圈的导电走线（图 3）。

NCS32100 向励磁线圈发射 4 MHz 正弦波，在其周围形成电磁场。根据法拉第电磁感应定律，转子的细线圈和粗线圈与电磁场相交，以涡流的形式将能量耦合到转子线圈上。这些转子上的涡流在定子上的细线圈和粗线圈中耦合产(chǎn)生(shēng)电(diàn)压(yā)（最(zuì)高(gāo)可(kě)达(dá) 100 mV），这(zhè)些(xiē)线(xiàn)圈(quān)也(yě)连(lián)接(jiē)到(dào)NCS32100的(de)八(bā)个(gè)接(jiē)收(shōu)器(qì)输(shū)入(rù)端(duān)。

NCS32100通(tōng)过(guò)解(jiě)调(diào)八(bā)个接收器输入来测量转子位置，然后再将这些输入转换为数字信号并进行处理。这些信息被输入到Arm Cortex M0+微控(kòng)制(zhì)器(qì)（MCU）中(zhōng)，使(shǐ)得(de)该(gāi)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)具(jù)有(yǒu)高(gāo)度(dù)的(de)可(kě)配(pèi)置(zhì)性(xìng)。MCU提(tí)供(gōng)绝(jué)对(duì)位(wèi)置(zhì)和(hé)速(sù)度(dù)数(shù)据(jù)，这(zhè)些(xiē)数(shù)据(jù)通(tōng)过(guò)评(píng)估(gū)板(bǎn)上(shàng)的(de)RS-485接口发送。

当转子的转速在 100 至 1000 转/分钟之间，只需一条指令，就能在两秒钟内完成传感器的自校准。校准后的系数存储在嵌入式闪存中。尽管性能出众，但双电感式方法在(zài)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)的(de)应(yīng)用(yòng)非(fēi)常(cháng)简(jiǎn)单(dān)。相(xiāng)比(bǐ)之(zhī)下(xià)，光(guāng)电(diàn)编(biān)码(mǎ)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)需(xū)要(yào)许(xǔ)多(duō)元(yuán)器(qì)件(jiàn)，包(bāo)括(kuò)光(guāng)码(mǎ)盘(pán)、定(dìng)子(zi) PCB 和(hé) LED 驱(qū)动(dòng)器(qì)，总(zǒng)计(jì)达(dá) 100 个(gè)元(yuán)器(qì)件(jiàn)。相(xiāng)比(bǐ)之(zhī)下(xià)，基(jī)于(yú) NCS32100 的(de)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)只(zhǐ)需(xū)要(yào)一(yī)对(duì)PCB板(bǎn)，元(yuán)件(jiàn)数(shù)量(liàng)不(bù)到(dào)其(qí)一(yī)半(bàn)。这(zhè)种(zhǒng)电(diàn)感(gǎn)式(shì)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)提(tí)供(gōng)了与光电方(fāng)案(àn)相(xiāng)同(tóng)的(de)精(jīng)度(dù)。

汽(qì)车(chē)应(yīng)用(yòng)中(zhōng)的(de)电(diàn)感(gǎn)式(shì)位(wèi)置(zhì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)

在(zài)本文中，我们已经讨论了电感式编码器在工业应用中的作用，但它们在汽车领域也有用武之地。

在汽车行业中，最重要的问题是安全性，这一点对于制动或转向等关键应用尤为重要。安森美的 NCV77320 车规级绝对位置传感器是按照 ISO26262 标准设计的，专门用于这些关键应用场景，例如刹车踏板传感器、加速踏板传感器、节气门位置传感器等。

NCV77320 有(yǒu)三(sān)个(gè)接(jiē)收(shōu)器(qì)输(shū)入(rù)端(duān)，其(qí)满(mǎn)量(liàng)程(chéng)精(jīng)度(dù)典(diǎn)型(xíng)值(zhí)为(wèi)±0.15%，可(kě)灵(líng)活(huó)用(yòng)作(zuò)旋(xuán)转(zhuǎn)编(biān)码(mǎ)器(qì)或(huò)线(xiàn)性(xìng)编(biān)码(mǎ)器(qì)。

与(yǔ) NCS32100 类(lèi)似(shì)，NCV77320 对(duì)污(wū)染(rǎn)、温(wēn)度(dù)变(biàn)化(huà)和(hé)杂(zá)散(sàn)磁(cí)场(chǎng)的(de)干(gàn)扰(rǎo)不(bù)敏(mǐn)感(gǎn)。它(tā)适(shì)用(yòng)于(yú)恶(è)劣(liè)的(de)汽(qì)车(chē)环(huán)境(jìng)，工(gōng)作(zuò)环(huán)境温度范围为 -40°C 至 +150°C。

结语

工厂车间是一个充满潜在污染物的嘈杂环境，这对必须提供精度和可靠性的电子元件来说是一个严苛(kē)的(de)工(gōng)作(zuò)场(chǎng)所(suǒ)。像(xiàng)NCS32100这(zhè)样(yàng)的(de)电(diàn)感(gǎn)式(shì)位(wèi)置(zhì)编(biān)码(mǎ)器(qì)正(zhèng)在(zài)应(yīng)对(duì)这(zhè)一(yī)挑(tiāo)战(zhàn)

随着工业界继续将效率和准确性放在首位，他们越来越依赖自动化。这意味着位置和运动感知技术的应用越来越广泛，提供了所需的准确性和稳定性。精确的传感器数据可帮助工业企业减少故障、延长维护周期、最大限度地提高产量，并最(zuì)小(xiǎo)化(huà)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)。

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