隨(sui)著(zhe)各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)的(de)提(ti)高(gao)，運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)日(ri)益(yi)凸(tu)顯(xian)。為(wei)了(le)有(you)效(xiao)地(di)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)，描(miao)述(shu)速(su)度(du)和(he)位(wei)置(zhi)的(de)控(kong)製(zhi)輸(shu)入(ru)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)。然(ran)而(er)，實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)感(gan)測(ce)的(de)技(ji)術(shu)有(you)多(duo)種(zhong)

，每(mei)種(zhong)技(ji)術(shu)都(dou)有(you)不(bu)同(tong)的(de)特(te)點(dian)和(he)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)。

本文將比較不同的旋轉感測技術，並討論選擇它們的原因。然後，我們將了解市場上的一些最新器件。

位置感測應用

為了提高精度
、提(ti)升(sheng)良(liang)率(lv)並(bing)降(jiang)低(di)運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben)，許(xu)多(duo)原(yuan)來(lai)需(xu)要(yao)手(shou)動(dong)操(cao)作(zuo)的(de)流(liu)程(cheng)都(dou)實(shi)現(xian)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)，這(zhe)使(shi)得(de)位(wei)置(zhi)感(gan)測(ce)應(ying)用(yong)迅(xun)速(su)增(zeng)長(chang)。實(shi)際(ji)上(shang)，隻(zhi)要(yao)存(cun)在(zai)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)運(yun)動(dong)，就(jiu)需(xu)要(yao)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)向(xiang)控(kong)製(zhi)器(qi)提(ti)供(gong)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)。

工業 4.0 推動工業市場在自動化領域取得許多進步。機器人技術越來越普及，實現了全天候“無人”操作

，而且不會疲勞或犯錯誤——這就要求每個運動軸都配備一個傳感器。在傳統工廠中與人類一起工作的“協作機器人”也是如此。

如今
，許多零部件都是通過機器製造的——有的使用數控 (CNC) 機床
，有的使用激光切割機，還有的使用 3D 打(da)印(yin)機(ji)。這(zhe)些(xie)機(ji)器(qi)都(dou)有(you)活(huo)動(dong)部(bu)件(jian)
，需(xu)要(yao)精(jing)確(que)的(de)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)才(cai)能(neng)滿(man)足(zu)質(zhi)量(liang)目(mu)標(biao)。零(ling)部(bu)件(jian)加(jia)工(gong)好(hao)後(hou)，通(tong)常(chang)會(hui)通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)化(hua)物(wu)料(liao)搬(ban)運(yun)或(huo)傳(chuan)送(song)帶(dai)進(jin)行(xing)運(yun)輸(shu)

，這(zhe)也(ye)需(xu)要(yao)位(wei)置(zhi)感(gan)測(ce)功(gong)能(neng)。

在zai工gong廠chang以yi外wai的de場chang合he，很hen多duo地di方fang也ye需xu要yao位wei置zhi控kong製zhi，比bi如ru那na些xie可ke以yi移yi動dong患huan者zhe或huo掃sao描miao儀yi的de大da型xing醫yi療liao設she備bei。另ling外wai，機ji器qi人ren現xian在zai能neng夠gou做zuo手shou術shu，這zhe同tong樣yang需xu要yao非fei常chang精jing確que的de控kong製zhi。

在交通運輸領域，每一種應用都涉及到運動。無論是火車、農用機械、建築機械等傳統交通工具
，還是倉儲中的自主移動機器人 (AMR) 和成千上萬的無人機等新興應用，都需要位置感測。

隨著所有驅動方式（內燃機 (ICE)、純電驅動 (EV) 和混合動力）的乘用車都在向電氣化方向發展，機械控製方案正在被“線控驅動”和“線控轉向”等係統所取代。為了使這些係統正常運作，必須將油門踏板（加速器）的位置信息傳送給電子控製單元 (ECU)，或者將方向盤的位置信息傳送給轉向控製係統。

隨著電子控製擴展到車輛操作的幾乎所有方麵，位置感測技術也廣泛應用於懸掛組件（用於調平/行駛控製）

、動力總成以及電動車窗、天窗、門鎖等方麵。

位置感測技術比較

旋轉位置感測主要使用三種技術——光學、磁性和電感技術
，每種技術都有各自不同的工作模式、優點、缺點和應用場景。

光學編碼器通常被認為是最準確的（盡管並非所有情況下都是如此），其工作原理是讓光穿過帶孔的圓盤，在圓盤旋轉時，利用光脈衝來檢測運動。

圖 1：旋轉位置感測的主要方法包括光學、磁性和電感技術

通(tong)常(chang)
，這(zhe)類(lei)器(qi)件(jian)用(yong)於(yu)需(xu)要(yao)極(ji)高(gao)精(jing)度(du)的(de)應(ying)用(yong)，例(li)如(ru)精(jing)密(mi)機(ji)器(qi)人(ren)以(yi)及(ji)數(shu)控(kong)車(che)床(chuang)或(huo)激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)機(ji)等(deng)機(ji)床(chuang)。雖(sui)然(ran)它(ta)們(men)精(jing)度(du)高(gao)且(qie)對(dui)磁(ci)場(chang)不(bu)敏(min)感(gan)，但(dan)易(yi)受(shou)圓(yuan)盤(pan)上(shang)的(de)振(zhen)動(dong)和(he)汙(wu)垢(gou)影(ying)響(xiang)，這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)它(ta)們(men)失(shi)效(xiao)。

磁ci性xing編bian碼ma器qi往wang往wang精jing度du較jiao低di
，主zhu要yao用yong於yu對dui成cheng本ben非fei常chang敏min感gan的de應ying用yong。它ta們men在zai存cun在zai振zhen動dong和he汙wu染ran的de情qing況kuang下xia表biao現xian良liang好hao，但dan外wai部bu磁ci場chang會hui對dui其qi造zao成cheng明ming顯xian的de影ying響xiang，這zhe限xian製zhi了le它ta們men的de適shi用yong範fan圍wei。

電感式編碼器精度優於磁性編碼器，能夠承受較高程度的振動和汙染，而且對磁場不敏感。其他優點包括：可重複性好


，對溫度不敏感，器件數量少，尺寸小，並且不需要稀土材料（即磁體）。

NCS32100 雙電感位置傳感器

安森美(onsemi)的 NCS32100 雙電感位置傳感器通過兩個簡單而創新的 PCB 盤，實現了出色的非接觸式位置精度，精度優於 +50 角秒或者機械旋轉 0.0138 度。一個 PCB 固定在電機定子（靜止部分）上
，而另一個單層 PCB 固定在轉子或軸上。兩個 PCB 平行放置，中間以 0.1mm 至 2.5mm 的氣隙分隔。NCS32100 位於定子 PCB 上。

粗細（雙）導電走線或線圈印刷在兩個盤麵上。第三條導電跡線稱為勵磁線圈
，印刷在定子 PCB 上。NCS32100 向勵磁線圈發送 4MHz 正(zheng)弦(xian)波(bo)，使(shi)定(ding)子(zi)勵(li)磁(ci)線(xian)圈(quan)周(zhou)圍(wei)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)場(chang)。根(gen)據(ju)法(fa)拉(la)第(di)互(hu)感(gan)定(ding)律(lv)
，轉(zhuan)子(zi)的(de)粗(cu)細(xi)走(zou)線(xian)線(xian)圈(quan)與(yu)電(dian)磁(ci)場(chang)相(xiang)交(jiao)，將(jiang)能(neng)量(liang)耦(ou)合(he)到(dao)轉(zhuan)子(zi)線(xian)圈(quan)中(zhong)，形(xing)成(cheng)渦(wo)流(liu)。

同時，定子的粗細線圈連接最多八個 NCS32100 接收器輸入。當轉子旋轉時
，轉子的渦流會幹擾定子接收線圈。NCS32100 通過其內部 DSP（數字信號處理器）的專有算法處理這些幹擾，從而測量出轉子位置。

圖 2：雙電感技術通過簡單方案提供高性能

采用40mm PCB 傳感器，NCS32100 能在 6,000 RPM 轉速時實現 ±50 角秒的位置精度，在犧牲些許精度的情況下，轉速高達 45,000 RPM。采用更大的 PCB 傳感器或讓轉子與定子精確對準，可以實現 +/- 10 角秒以內的更高精度。

這種簡單方案隻需使用少量電子器件，從而確保尺寸小巧且成本低廉。此外，它還對溫度波動、汙染和外部磁場完全不敏感。

雙電感技術集成方案

安森美的 NCS32100 支持設計用於工業應用和環境的高精度旋轉位置傳感器。它是一款絕對位置器件，無需運動即可確定位置。NCS32100 還能夠在高達 45,000 RPM 的轉速下計算轉速。

在高達 6,000 RPM 的轉速下
，NCS32100提供了 ±50 角秒的完整精度，可與許多光學編碼器的性能相媲美。該器件還集成了 Arm® Cortex® M0+ MCU，提供高度可配置性和內部溫度傳感器。

NCS32100 內置的校準例程允許傳感器通過單個命令實現自校準
，此過程隻需兩秒鍾。它不需要參考編碼器，隻要轉子轉速在100 到 1000 RPM 之間
，，該程序就可以隨時運行。所有校準係數都存儲在非易失性存儲器 (NVM) 中。

典型光學方案總共需要三塊 PCB——光學圓盤
、定子 PCB 和 LED 驅動器 PCB，實現全部功能需要大約 100 個器件。

圖 3：雙電感技術在精度上可媲美光學技術
，而複雜性和成本比後者更低

相比之下
，基於 NC32100 的方案僅需要兩塊 PCB：轉子是不含任何器件的單層 PCB，而定子 PCB 僅包含 12 個器件。

在汽車應用中，雖然成本和可靠性很重要，但安全性更是至關重要
，尤其是在轉向或刹車等應用中。安森美的汽車級絕對位置傳感器 NCV77320 符合 ISO26262 標準
，專門針對這些關鍵應用場景而設計。NCV77320 的位置精度為 194.3 角秒或機械旋轉 0.0539 度（具體取決於 PCB 幾何形狀），主要是因為它隻有 3 個接收器輸入，而 NCS32100 有 8 個接收器輸入，並且 NCV77320 不支持粗細線圈 PCB 配置。NCV77320 和 NCS32100 都可作為旋轉編碼器或線性編碼器運行。

NCV77320 的應用包括製動踏板傳感器、油門踏板傳感器
、電機位置傳感器、製動係統傳感器

、車輛水平傳感器
、變速箱擋位傳感器、油門位置傳感器和廢氣再循環閥傳感器。

與 NCS32100 一樣，NCV77320 對汙染、溫度變化和磁場幹擾不敏感，並且可用於環境溫度範圍為 -40ºC 至 +150ºC 的汽車環境。

NCV77320 能夠以高達 10,800 RPM 的轉速運行，並通過 SENT、SPI 或模擬接口與配套 MCU 進行通信。

總結

隨著自動化日益普及

，人們對旋轉電機位置感測的需求越來越大。目前有多種技術可實現此功能，包括光學
、磁性和電感技術。光學技術精度高，但價格昂貴且容易受汙染影響。磁性技術成本低，但容易受磁場幹擾。

電感技術日益受到青睞，而且隨著雙電感傳感器的出現，現在能夠打造既具備光學級精度而又更具成本效益的傳感器。