利用設計工具提高位置傳感器系統精度
2025-02-13 18:08:33 安森美
電機驅動系統 (EMDS) 高度依賴位置編碼器來提升效率，并滿足日益嚴苛的法規要求。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，從而實現高精度電機控制和同步。位置編碼器種類繁多，包括機械式、光學式、磁式或電感式。
圖 1：通過編碼器實現高精度電機控制和同步
值得注意的是，旋轉電感編碼器在惡劣環境下具有顯著優勢，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原理，在工業 4.0 的各個領域得到廣泛應用，能夠測量變速箱、踏板、機械臂等眾多工業系統的位置移動。
旋轉電感傳感器原理
典型的旋轉電感編碼器有三個主要部件，如圖 2 所示。轉子安裝在旋轉電機軸上，定子安裝在編碼器外殼上。轉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）傳輸到定子上的勵磁線圈，該線圈起到天線的作用，將能量耦合到轉子的接收線圈中。定子也有一組接收線圈，當轉子旋轉時，其線圈中的耦合能量會對定子接收線圈產生擾動。感知器件與定子接收線圈相連以接收輸入信號，并通過分析定子接收線圈中的擾動來測量轉子位置。
通過增加轉子和定子線圈的數量，改變線圈的模式，以及增加感知器件接收的輸入數量，可以提高旋轉電感編碼器的分辨率和精度。
圖 2：旋轉電感編碼器有三個主要部件
安森美 NCS32100 簡介
NCS32100 是一款新近獲得專利的雙電感傳感器，非常適合工業市場應用，包括機器人、電機控制和定位、伺服應用等。
NCS32100 支持靜態高速應用，在高達 6,000 rpm 的轉速下可實現 50 角秒或更高的精度，功能轉子轉速最高可達 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，可實現高分辨率、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，并提供豐富的數字輸出格式。此外，它還提供了速度、溫度和備用電池測量，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 的設計工具
旋轉電感編碼器的整體分辨率和精度，取決于定子和轉子 PCB 的設計以及感知器件的性能。PCB 設計具有挑戰性，對走線寬度和間距、通孔焊盤直徑、鉆孔直徑、銅和絕緣層的厚度等參數都有嚴格的容差要求。
鑒于不當的設計會極大地影響編碼器的性能，安森美創建了基于 Web 的 NCS32100 PCB 設計工具，以指導工程師完成必要的 PCB 設計步驟。使用該工具時，用戶遵循三步流程（參見圖 3）：首先輸入一組明確的數據來描述編碼器設計，然后生成轉子和定子 PCB 的詳細圖紙，最后根據輸入的設計參數運行仿真。用戶運行的這些仿真根據輸入參數模擬接收器輸入幅度和角度誤差（角秒），通過迭代這些參數，解決方案就能針對成本和精度要求進行優化。
圖 3：使用 NCS32100 PCB 設計工具的三步開發流程
安森美助您更快實現盈利
旋轉電感編碼器因其穩健性和抗污染能力，成為惡劣工業環境中電機控制方案的常見選擇。雖然安森美的 NCS32100 傳感器為設計人員提供了高度精確且可配置的方案，但糟糕的 PCB 設計可能會降低任何使用該傳感器的編碼器系統的整體性能。NCS32100 PCB 設計工具讓設計人員能夠放心地優化 PCB 設計，而無需投入資源進行原型設計。PCB 線圈設計工具支持一系列輸入選項的快速迭代，幫助設計人員根據成本和精度要求迅速優化 PCB 設計，從而加快開發進程并縮短產品上市時間。
工業系統制造商對其基于 NCS32100 的設計的精度充滿信心，因為在安森美進行的測試中，該器件的精度水平可與被視為行業標桿的精密 Gurley 編碼器相媲美。
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