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关於电感式位置感测器的11个误解
 

【作者: Mark Smith】2020年10月28日 星期三

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人工智慧(AI)是我们期待已久的一种技术,目前已得到广泛实施。从自动化工厂、自动驾驶汽车和卡车到机器人司机,我们正不断见证着AI如何协助自动机械提高效率、实现盈利及改善我们的生活。这些自动机械和汽车的核心是其准确测量位置和运动的能力。


有多种方法可以测量位置,但发展最迅速的一项技术当属电感式位置感测器。准确性、抗噪性和成本效益是这项技术的几大优势。本文将逐一消除对电感式位置感测器的一些误解,并将其与其他感测器技术(例如霍尔效应感测器和磁阻感测器)加以对比。


误解1:电感式感测器使用电感来测量位置


图一 : 电感式位置感测器范例
图一 : 电感式位置感测器范例

看名称字面上可能会造成混淆,但事实是,电感式感测器不测量电感,而是使用金属目标中磁场的电磁感应以及空气芯变压器众所周知的属性和法拉第定律来准确定位目标对这一磁场的干扰。有许多人早已将在学校学到的电磁场理论知识忘光,因此可能会觉得很复杂,不过我们可以简单归纳为:电感式感测器测量的是导电目标对磁场的干扰。


此外,该磁场不是由霍尔效应感测器和磁阻感测器所需的永磁体产生的,而是由变压器的初级绕组产生的。使用两个次级线圈检测该磁场,就像使用变压器一样,我们使用法拉第定律将该磁场转换为电压。放置在该磁场中的金属目标将感应出与磁场方向相反的涡流,使目标的场强降至零。透过放置在不同的物理位置,两个接收线圈将检测到不同的电压。只需计算这两个接收线圈的电压之比,即可计算出目标的位置。


误解2:电感式位置感测器不准确

这个误解可以轻松消除,因为电感式位置感测器非常准确,即使是在导致其他基於磁体的系统出现问题的高温环境下,也能表现出优异效能。电感式位置感测器能够如此准确的主要原因是它们不依赖於永磁体的非线性特徵,而是仅关注自生磁场的干扰。


结果是室温下可实现小於整个测量范围的+/-0.1%的误差。在温度以及目标与感测器之间的气隙发生变化时,可实现小於+/-0.3%的误差。此外,完整演算法旨在消除温度变化或最大程度地减小其影响。例如电感式位置感测器将以1 MHz到6 MHz之间的频率激励磁场,但会使用LC振荡器。这两个量可能会随温度变化,但这对位置没有影响,原因是次级接收通道使用同步解调,这是主振荡器的功能。



图二 : 同步解调器范例
图二 : 同步解调器范例

这种漂移不会对接收讯号的幅值产生任何影响。除温度外,感测器附近的金属物体也可能对磁场产生影响。因此,需要一定程度的校准,但校准不随温度变化。例如Microchip的LX3302A使用八个校准段。13位元类比数位转换器(ADC)和32位元处理器还有助於消除可能出现的任何计算和量化误差,进而在整个测量范围内提供12位元输出解析度。


误解3:电感式位置感测器价格昂贵

做到两全其美(以合理的价格实现优异的效能)并不容易,但电感式感测器能够完美兼顾。霍尔效应感测器和磁阻感测器要求制造的永磁体具备适当的公差和强度以获得理想的精确度,而电感式感测器只需要一块金属作为目标即可,能够为使用者节省磁体的费用。尽管需要较大的PCB来对感测器走线进行布线,但这通常要比磁体的成本低得多。


如果有额外的PCB空间,那麽这一部分可以做到免费。因此,电感式位置感测器是比霍尔效应解决方案和磁阻解决方案更具成本效益的一种解决方案,因为它无需磁体即可提供磁场检测。


误解4:电感式位置感测器对外部磁场敏感


图三 : 马达和大电流产生高杂散磁场
图三 : 马达和大电流产生高杂散磁场

当今的自动机械正在产生比以往更多的杂散磁场,这导致霍尔效应感测器和磁阻感测器出现问题。电感式位置感测器使用主动解调来抑制这些杂散磁场。


新一代电动汽车可能有几百安电流从电池流向牵引马达。此外,大多数汽车都具有超过三个用於移动汽车的无刷直流(BLDC)马达、电子动力转向和煞车辅助马达。所有这些系统都会产生杂散磁场。由於这些杂散磁场迅速增加,新规范要求在更高的磁场下进行更多抗扰度测试。在汽车工业中,汽车电子元件目前在EMC认证期间会受到4 mT直流磁场的影响,而任何安全关键型感测器(动力转向、油门踏板和牵引转子位置)中都不得出现错误读数。


电感式位置检测的优点在於,它不受这些杂讯的影响,因为它仅会主动过滤需要检测的频率。由於电感式位置感测器不使用任何磁性材料,因此不会拾取任何直流磁场。换句话说,对於静磁场,法拉第定律为零。


此外,上述同步解调器将滤除高於和低於主激励频率的其他频率,方法与在天线拾取整个AM波段时选择一个AM无线电台几??相同。霍尔效应感测器和磁阻感测器均无法实现相同类型的抑制。


误解5:电感式位置检测是新技术


图四 : LVDT、旋转变压器和感测器
图四 : LVDT、旋转变压器和感测器

电感式位置感测器使用PCB作为感测器,并使用一块金属作为目标。尽管这可能是一种实现检测的新方法,但这项技术由来已久。线性电压差动变压器(LVDT)与电感式位置检测非常接近。LVDT将使用一个初级线圈和两个次级线圈来检测机器人应用中金属轴的位置。电感式位置感测器使用许多相同的技术将绕组减少到仅为一块PCB。磁性旋转变压器(LVDT的旋转版本)也使用类似的技术。


再次说明,电感式位置感测器可代替外观类似变压器的金属结构,实现相同的功能,只需要在PCB上合理布线即可。为了检测位置,LVDT、旋转变压器和电感式感测器会采用导电元件对磁场的干扰所引起的两个电压之比。


误解6:备援电感式感测器需要双倍空间


图五 : 备援感测器
图五 : 备援感测器

关键的汽车和工业应用通常需要通过备援来提供最高安全级别。通过优化PCB层和一些智慧初级绕组技术,双感测器不需要使PCB空间加倍。两个感测器可以位於同一PCB空间中。


在这种情况下,它们共用同一个磁场(通过磁场松散耦合),并且仍提供电流隔离。次级侧可以连接到两个IC,然後输出独立且备援的位置,从而提高应用的安全性。


误解7:电感式位置感测器只能处理小型线性测量

电感式位置感测器可以测量许多不同长度的线性位置。当感测器的长度接近於近??理想的测量范围时,可以达到最隹精度,从而可在最短的距离上调整输出解析度。此感测器的长度范围为5 mm至600 mm,实际应用中可能超过这一范围。长度的任何限制都与振荡器产生正确LC谐振讯号的能力有关。


在所有情况下,工作原理都是相同的:产生磁场,检测干扰。线性测量是这项技术的绝对优势,可以在多个实际测量范围内应用一种测量原理来实现灵敏度。或者,当磁体从一个位置移动到另一个位置时,一个霍尔效应感测器可能需要多个霍尔效应感测器进行多工。这种多工的交叉处理相当复杂,并且可能受到温度的影响。电感式感测器不受此困难的影响,经设置可输出符合应用要求的线性测量值。


误解8:电感式位置感测器只能进行线性测量

尽管线性测量是这项技术的绝对优势,但电感式位置感测器还可以更高的精度和更出色的抗噪性,测量旋转和弧形检测目标轨迹。汽车踏板、空气阀、水阀和转子位置都是可以使用电感式检测技术的检测案例,可以将360度旋转感测器仅看作两端弯曲相交的线性感测器。


事实证明,旋转电感式位置感测器是最精确的感测器,因为所产生的磁场在每个半径上都非常均匀。这项技术支援线性、弧形和旋转测量。


误解9:目标材料必须是磁性的


图六 : 金属结构中感应出的涡流
图六 : 金属结构中感应出的涡流

电感式位置感测器检测磁场的变化,该磁场受金属目标干扰,但是不需要磁性材料。任何传导电流(允许感应涡流流过)的材料都会引起这种干扰。诸如铁之类的磁性材料具有导电性,因此也可以使用,但如果目标金属由铜、铝或钢等良导体制成,则其检测距离会更合理,供电电流也更低。


误解10:电感式位置感测器需要透过输入电源进行程式设计

在汽车中,许多感测器应用都位於通过一组电线连接到发动机控制单元的模组中。对於感测器,这通常由电源线、地线和输出接脚组成。如果能够通过电源接脚校准模组,则可确保不需要与感测器PCB进行其他连接,从而节省成本和避免装配问题。


但是,某些应用需要微控制器,这种情况下,嵌入式应用将使用另一个微控制器而不是专用测试系统来程式设计感测器。Microchip的LX3302A具有这种功能,允许通过GPIO接脚进行程式设计。


误解11:使用者需要自行设计

不久之前,要想获得良好的结果,必须具备扎实的磁场知识,并且能够使用高阶有限元模拟套件或完成大量的反复试验。如今,IC供应商正透过评估板和评估工具包为他们的客户提供这类服务,以协助使用者从概念阶段顺利过渡到实际的PCB走线模拟阶段。一些供应商甚至会提供模拟结果,以在测试PCB之前估算感测器将会出现的误差。Microchip提供了这种帮助,这样您就不会觉得是自己在进行PCB设计。


上面的11个误解给出了电感式位置感测器与霍尔效应感测器和磁阻感测器的比较情况,分别说明了精度、抗杂散磁杂讯能力和成本效益。您准备好在下一个AI位置检测产品上尝试这项技术了吗?


(本文作者Mark Smith为Microchip 公司混合与线性讯号产品部产品行销经理)


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