在當(dāng)今電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，“無(wú)位置傳感器” 成為了一個(gè)熱門(mén)的發(fā)展方向。然而，這并不意味著位置傳感器會(huì)在電機(jī)應(yīng)用中消失。實(shí)際上，位置傳感器在電機(jī)控制中仍具有不可替代的作用，尤其是在一些特定的工業(yè)和機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景中。

當(dāng)前，雖然在電動(dòng)工具等應(yīng)用中，采用無(wú)傳感器設(shè)計(jì)的方波驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)或場(chǎng)定向控制 (FOC) 無(wú)刷交流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需旋轉(zhuǎn)角度傳感器即可工作，但在工業(yè)和人形機(jī)器人、自主移動(dòng)機(jī)器人以及直線(xiàn)電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)等終端設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)角度傳感器或線(xiàn)性位置傳感器依然是不可或缺的關(guān)鍵組件。

位置傳感器在無(wú)刷電機(jī)控制中具有多重作用。它不僅用于無(wú)刷直流電機(jī)或無(wú)刷交流電機(jī)的定子電流換向，還在速度和位置控制方面發(fā)揮著重要作用。以工業(yè)多軸機(jī)器人為例，通常在電機(jī)軸和機(jī)器人軸之間會(huì)裝有一個(gè)齒輪。與電機(jī)軸耦合的旋轉(zhuǎn)角度傳感器，不僅要檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度，還需要計(jì)算電機(jī)軸的轉(zhuǎn)數(shù)，以此來(lái)控制相應(yīng)機(jī)器人軸的等效角度位置。而且，編碼器的類(lèi)型會(huì)因具體應(yīng)用的不同而有所差異。

增量編碼器和編碼器是常見(jiàn)的兩種編碼器類(lèi)型。增量編碼器一般使用 ABZ 數(shù)字或模擬單向接口，其中兩個(gè)正交編碼的數(shù)字脈沖序列信號(hào)（A 和 B）或兩個(gè)模擬正弦 / 余弦信號(hào)（A 和 B）可實(shí)現(xiàn)低延遲相對(duì)角度測(cè)量，其分辨率從約 10 位到 28 位不等?？蛇x索引（Z 或 I）能提供機(jī)械角度信息。不過(guò)，增量編碼器在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)提供角度，需要在索引出現(xiàn)之前旋轉(zhuǎn)多一周。因此，這類(lèi)編碼器非常適合需要極低延遲 (<1μs) 但不需要在啟動(dòng)時(shí)獲得角度的變速應(yīng)用。

與之相反，單轉(zhuǎn)或多轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)編碼器在啟動(dòng)時(shí)就可提供角度位置。它們配備雙向 RS - 485 接口，支持特定于供應(yīng)商的協(xié)議，還能實(shí)現(xiàn)時(shí)間觸發(fā)角度測(cè)量，并提供旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)等信息。其角度分辨率通常從 10 位到 >30 位不等，延遲低至 10μs，能夠滿(mǎn)足各種工業(yè)應(yīng)用的需求。位置分辨率通常取決于通過(guò)數(shù)字接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。例如，采用 20 位整數(shù)格式的角度分辨率為 360/22?；0h = 0 度、0xFFFFF = 360 度 - 360/22?。系統(tǒng)整體噪聲明顯高于量化噪聲，該效應(yīng)由有效位數(shù) (ENOB) 來(lái)表征。通過(guò)角度的標(biāo)準(zhǔn)偏差（以度為單位測(cè)得）可以計(jì)算角度的 ENOB ，其計(jì)算公式如圖所示：

角度噪聲信號(hào)的均方根等于標(biāo)準(zhǔn)偏差 (1 σ)。角度精度不僅取決于通常采用 6 σ 值的峰值噪聲，還與單轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的非線(xiàn)性度有關(guān)。

FOC 方法是一種高性能的電機(jī)控制技術(shù)，它可根據(jù)轉(zhuǎn)子磁通角控制生成的定子電流矢量，從而通過(guò)永磁同步電機(jī)限度地增加轉(zhuǎn)矩。FOC 能夠提供平滑的轉(zhuǎn)矩以及從靜止到高速運(yùn)行的快速瞬態(tài)響應(yīng)。在人形機(jī)器人等終端設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量精度通常為 1 度至 0.1 度，ENOB 為 12 位至 15 位，采樣率為 8kHz 至 32kHz。旋轉(zhuǎn)角度與電機(jī)相電流需要同時(shí)檢測(cè)，低于 20μs 的低延遲角度測(cè)量為微控制器 (MCU) 提供了足夠的時(shí)間來(lái)運(yùn)行控制算法和在下一個(gè) PWM 周期更新脈寬調(diào)制器 (PWM)。

不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，基于直線(xiàn)電機(jī)的運(yùn)輸系統(tǒng)需要線(xiàn)性位置檢測(cè)，但同樣應(yīng)用 FOC 來(lái)獲得轉(zhuǎn)矩，12 位位置分辨率（延遲低于 100μs）通常就足夠了。此外，要在工業(yè)機(jī)械中實(shí)現(xiàn)國(guó)際電工委員會(huì) 62061 或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 13849 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能安全，需要根據(jù)安全完整性等級(jí)或性能等級(jí)確定經(jīng)安全的編碼器，并使用位置傳感器進(jìn)行額外診斷，以檢測(cè)隨機(jī)硬件故障。在汽車(chē)應(yīng)用中，根據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)會(huì)在系統(tǒng)啟動(dòng)期間運(yùn)行診斷，而工業(yè)系統(tǒng)通常全天候運(yùn)行，因此需要在正常運(yùn)行期間進(jìn)行持續(xù)診斷。

位置傳感器的類(lèi)型主要包括光學(xué)傳感器、磁傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器。光學(xué)傳感器通常能提供分辨率，但磁傳感器和電感式傳感器在可靠性方面表現(xiàn)更優(yōu)，并且可以降低系統(tǒng)總成本。在工業(yè)或汽車(chē)系統(tǒng)中，由于附近線(xiàn)路中存在大電流流動(dòng)，這就要求使用不受雜散磁場(chǎng)影響的傳感器技術(shù)，例如電感式傳感器。電容式傳感器的分辨率通常低于電感式傳感器和磁傳感器，而且在實(shí)際應(yīng)用中并不常見(jiàn)。

對(duì)于在惡劣環(huán)境（如電機(jī)集成導(dǎo)致的高溫）中的成本敏感型系統(tǒng)，TI 提供了磁性和電感式位置傳感器。以磁性位置傳感器為例，磁編碼器是一種經(jīng)濟(jì)高效的檢測(cè)旋轉(zhuǎn)或線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)的方式，它在含有灰塵、油和水的惡劣環(huán)境中具有良好的抗擾性。磁性位置傳感器可檢測(cè)磁場(chǎng)變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以生成輸出信號(hào)。其技術(shù)種類(lèi)繁多，包括霍爾效應(yīng)、AMR、隧穿磁阻 (TMR) 和巨磁阻 (GMR) 等。

在直線(xiàn)電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中，當(dāng)有效載荷載體以 5m/s 至 15m/s 的速度快速移動(dòng)時(shí)，12 位位置分辨率（延遲低于 100μs 且采樣率 ≤8kHz）通常就足夠了。多個(gè)位置傳感器可通過(guò)高速串行外設(shè)接口 (SPI) 總線(xiàn)連接到單個(gè) MCU。TMAG5170 3D 霍爾效應(yīng)傳感器具有高精度、低延遲和電路板靈活放置等優(yōu)勢(shì)。其全溫度范圍內(nèi)的靈敏度誤差漂移小于 2.8%，10MHz SPI 可實(shí)現(xiàn)低延遲。此外，板載 3D 感應(yīng)元件支持可配置的 XY、YZ 或 XZ 感應(yīng)方向，提高了相對(duì)于磁體放置傳感器時(shí)的靈活性。

AMR 傳感器也是一種常用的磁傳感器。它包含四個(gè)磁阻惠斯通電橋，其中兩個(gè)電橋的輸出端子的電壓差能反映外部磁場(chǎng)強(qiáng)度。與霍爾效應(yīng)傳感器相比，AMR 傳感器具有更高的工作頻率和更高的信噪比 (SNR)；與 GMR 和 TMR 傳感器相比，其正交誤差相對(duì)可以忽略不計(jì)。在需要高精度編碼器的伺服驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用中，AMR 傳感器通常更為適合，因?yàn)樗哂懈叩拇艌?chǎng)耐受度，可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的整體抗擾性。

電感式位置檢測(cè)與磁傳感器相比，具有對(duì)外部直流電場(chǎng)固有的磁場(chǎng)抗擾性等優(yōu)勢(shì)。在電感技術(shù)中，只需將一個(gè)導(dǎo)電金屬靶標(biāo)（無(wú)需磁體）靠近感應(yīng)線(xiàn)圈，就能確定金屬靶標(biāo)圍繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置。使用兩個(gè) LDC5072 - Q1 電感式傳感器（每個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈一個(gè)）的編碼器，通過(guò)游標(biāo)編碼的方式，能夠以較高的精度獲得角度。與機(jī)械旋轉(zhuǎn)變壓器相比，電感式編碼解決方案在尺寸、重量、成本和功耗等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。