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改進(jìn)工業(yè)電機(jī)控制,這款電感位置傳感器脫穎而出

發(fā)布時(shí)間:2023-11-10 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】無論是制造業(yè)還是運(yùn)輸和娛樂業(yè),各個(gè)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步往往都離不開機(jī)器性能的提升,為此我們需要能夠更輕松地以更高的精度控制機(jī)器。許多現(xiàn)代化機(jī)器至少有一個(gè)核心電機(jī),而以更高的精度控制電機(jī)可以從某種程度上改進(jìn)機(jī)器人、電梯、汽車、電動工具等等。


電機(jī)性能取決于精密的控制,而精密的電機(jī)控制又取決于對電機(jī)位置的精密檢測。要實(shí)現(xiàn)精密檢測,日益精確的傳感器技術(shù)必不可少?,F(xiàn)在,設(shè)計(jì)人員可以利用定位精度更高的電感位置傳感器來提升電機(jī)精度、電機(jī)控制和電機(jī)性能。


編碼器


磁性編碼器和光學(xué)編碼器的原理都是利用電機(jī)位置變化與其速度之間的關(guān)系。磁性編碼器有多種類型,但其原理都是基于同一現(xiàn)象的不同變化形式。電機(jī)配備一個(gè)或多個(gè)以不同方式安裝的磁鐵,當(dāng)這些磁鐵相對于磁性檢測器移動時(shí),磁場會隨著其相對移動成比例變化。


不同類型磁性編碼器的分辨率各不相同,有時(shí)可能非常低,測量分辨率僅為每轉(zhuǎn)數(shù)百個(gè)脈沖 (PPR)。精度的提高離不開精密的制造工藝。不同類型的尺寸和重量各異,極端溫度也可能對編碼器產(chǎn)生不利影響。磁性傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)是在受電磁干擾 (EMI) 影響的應(yīng)用中可能不可靠,甚至根本不可用。


光學(xué)編碼器可檢測光脈沖。一種基本的實(shí)現(xiàn)方法是為電機(jī)配備圓盤形格柵。當(dāng)格柵旋轉(zhuǎn)時(shí),光電二極管可檢測位于格柵表面或穿過格柵的光脈沖(光脈沖序列構(gòu)成“編碼”,這也是“光學(xué)編碼器”一詞的由來),通過該技術(shù)可確定旋轉(zhuǎn)速度和電機(jī)的位置。


光學(xué)編碼器不受磁場影響。它們可能具有高分辨率,并提供出色的精度,但其性能取決于安裝是否仔細(xì)?;覊m、煙塵甚至濕氣等環(huán)境污染物很容易對光學(xué)編碼器造成損害。極端溫度也可能對這些編碼器產(chǎn)生不利影響。無論是哪種傳感器,高速的實(shí)現(xiàn)通常都以犧牲精度為代價(jià),而精度的成本往往更高。


電感傳感器


可與電機(jī)結(jié)合使用的第三種傳感器是電感傳感器。雖然電感傳感器實(shí)際上也是基于磁鐵原理,但它們測量的不是磁場的變化,而是電流——感應(yīng)電流。


磁性檢測器用于檢測齒輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪齒通過傳感器時(shí),會引起通量發(fā)生變化,從而在傳感器中產(chǎn)生相應(yīng)比例的電壓,該電壓可能與旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。


電感傳感器的使用歷史已近百年。電感位置傳感器解決方案通常不易受振動、溫度變化和環(huán)境污染物影響,其機(jī)械結(jié)構(gòu)往往更加簡單,因此更為可靠。


過去 20 年,電感傳感器在汽車市場越來越受歡迎。汽車中使用的電感傳感器兼具低成本和高可靠性的特點(diǎn),而且速度和精度都較低。這恰好符合該特定應(yīng)用的需求,但電感傳感器可實(shí)現(xiàn)更好的性能。


雙電感旋轉(zhuǎn)傳感器


雙電感旋轉(zhuǎn)傳感器是一種新型電感傳感器。這些新電感位置傳感器不僅速度快,而且精度高。安森美 (onsemi) 提供的雙電感位置傳感器由兩個(gè)印刷電路板 (PCB) 組成。一個(gè)是帶有兩個(gè)印刷電感的轉(zhuǎn)子;另一個(gè)是同時(shí)帶有印刷電感和一個(gè)編碼器 IC 的定子。


該器件的精度比 38mm 傳感器 (+/-50 arcsec) 更高。它在轉(zhuǎn)速高達(dá) 6,000 RPM 時(shí)實(shí)現(xiàn)完整精度(雖然它能夠以更高轉(zhuǎn)速工作,最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 100,000 RPM)。其單圈輸出分辨率為 20 位,多圈輸出分辨率為 24 位。


24.jpg

圖 1:安森美提供的 NCS32100 旋轉(zhuǎn)位置傳感器


這是一款絕對編碼器(與增量編碼器相對),因此即使轉(zhuǎn)子不在移動,也能夠提供位置數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)模塊配備一個(gè)帶有固件的嵌入式微控制器 (MCU),該控制器采用可編程的 M0?ARM? MCU,其輸出的是位置和速度,而不是原始模擬信號。憑借靈活的配置功能,該模塊可連接到不同的電感傳感器模式,并提供各種電子輸出格式。


該方法的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,并且組件數(shù)量更少,所需的外部組件(例如,旁路電容、調(diào)諧電容等)數(shù)量也大幅減少。即插即用,比較容易校準(zhǔn),并具有糾錯/診斷功能,因此易于安裝和操作。與其他電感傳感器一樣,安全性高、穩(wěn)定可靠。該傳感器以標(biāo)準(zhǔn)模塊提供,但其基本設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)其他配置。


該集成式解決方案專為滿足工業(yè)應(yīng)用要求而設(shè)計(jì),雙電感位置傳感器的適用范圍包括目前正在使用中高端光學(xué)編碼器的領(lǐng)域,以及機(jī)器人、工業(yè)驅(qū)動器、工廠自動化系統(tǒng)和各種工業(yè)機(jī)械等應(yīng)用。


設(shè)計(jì)人員在評估傳感器選項(xiàng)時(shí),不僅要滿足應(yīng)用的運(yùn)行要求,還要考慮應(yīng)用的長期使用壽命,后者至關(guān)重要。安森美雙電感旋轉(zhuǎn)位置傳感器有助于減少元器件數(shù)量,延長運(yùn)行壽命和簡化校準(zhǔn)操作,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總擁有成本的降低。


來源:PSD功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)  作者:Alessandro



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