工业自动化系统运控应用中的位置传感技术发展

不断采集流程控制数据的高度自动化系统在现如今的制造业、工厂越来越常见，这些自主系统通过传感器收集的准确信息提供精准的实时位置控制。磁性编码器、接近传感器、压力变送器、电机等等这些在自动化工厂里随处可见的设备都需要先进的位置传感来收集工厂级数据进而提升性能。
 
且不用说在机器人系统里，在任何对运动控制有高性能要求的系统里，这种对位置传感的要求几乎都是无处不在的，位置传感技术很大程度上决定了系统的性能上限。准确、快速和可靠的位置测量是实现实时精准控制的前提。
 
3D霍尔效应位置传感的运控应用
 
相比于其他位置传感，霍尔效应位置传感在工业自动化应用里应该是最多的那一类选择。线性3D霍尔效应位置传感器监控电机轴，传感器的相关参数对系统的控制、带宽和延迟有很直接的影响。为了避免传感器在数据吞吐量和误差上做权衡进而影响系统性能，3D霍尔传感器内会集成ADC通过精密的信号链来实现高精度和低漂移磁场测量，然后再通过片上温度传感器数据进行系统级漂移补偿。
 

（线性3D霍尔效应位置传感器，TI）

 
3D霍尔效应位置传感器能否实现磁轴和温度的任意组合是现在工业场景比较看重的一项功能。在更宽的磁场检测范围、更宽的环境温度范围中保持优异的传感才能在复杂的工业场景中发挥用武之地，比如TDK灵活架构的可配置HAL 39xy系列传感器，TI通过SPI灵活配置的TMAG5170 系列高精度线性3D霍尔效应传感器，这些传感器在运控应用上通过可选磁性灵敏度范围以及温度补偿选项为磁性和机械设计提供灵活性。此前有关使用霍尔效应传感器时磁铁放置不灵活的这种认知误区现在也不复存在了。
 
从上面提到的两个器件来看，TDK的HAL 39xy系列传感器配置了强大的DSP和一个嵌入式微处理器，TI的TMAG5170 系列也具有片上角度计算引擎，无需片外处理。灵活的霍尔传感器前端配置也有助于实现更多种类的应用。在运控应用上，现在这些3D霍尔效应位置传感器的发展给予了自动化系统很多可能性。
 
各向异性磁阻效应位置传感AMR运控应用
 
各向异性磁阻效应涉及材料中的S轨道与d轨道电子散射各向异性。AMR传感磁电阻比（ΔR/Rmin）在3%左右，AMR传感在运控应用，尤其是车规级运控应用上有很多应用。基于AMR的磁传感很多大厂都有在做，毕竟现在在车规级运控上AMR传感有着不可忽视的重要作用。
 
不同于上面霍尔传感的线性位移测量，AMR传感器一般来说具有更高的精密性。而且它还能降低扭矩纹波。磁传感器大家都关注高精度这个指标。从技术角度来说，AMR传感的功耗普遍做得很低，响应时间大多也很快在10ns左右，温漂在3000 PPM/K附近，具体的精度视不同厂商的工艺与配置有所不同。
 
像ADI集成信号调理放大器和ADC驱动器的双通道AMR传感ADA457X系列的典型角度误差仅仅只有±0.1°，输出噪声也低到850μV rms；英飞凌的单AMR技术传感TLE5109A16系列从10mT 到>500mT的范围内典型误差也仅为±0.1°；国内厂商多维的最新AMR传感绝对精度做到了0.1°。
 

（图源：多维科技）
 

当AMR传感器在饱和情况下工作，绝对磁场强度与存在的磁场强度是没有关系的，其输出信号将不随磁场强度的变化而变化，由此也能看到AMR传感展现出的在强磁条件下工作时鲁棒性，能给整个系统充足的裕量。
 
另外对AMR传感还有其他磁传感来说，还要考虑的一点是器件受到参数降级的影响有多大，对磁铁老化敏不敏感。这个问题也得视各个厂商的策略而定，NXP的做法是把AMR传感在单一封装内集成磁阻传感器电桥、混合信号集成电路IC和所需的电容，其中集成的两路通道均以完全独立的方式工作，这种完全独立的方式几乎不受参数降级的影响。每个厂商的应对方法不尽相同，都尽可能规避了参数降级的影响。
 
小结
 
在自动化系统的运控应用上，磁传感还有GMR和TMR两条技术路线，从技术原理上说这两个技术有比AMR更高的精准度，当然技术难度也会更高，掌握该技术厂商更少。在汽车应用上用得更多。
 
对于运控应用来说，要实现更好的控制效果，位置控制是避不开的一环。在AMR传感的测量范围内，它有着优秀的灵敏度和响应时间，能提供这种精准的位置测量。而精密线性3D霍尔效应传感器也没有落入下风，在不牺牲性能或增加功耗和成本的前提下，实现了快速、准确和可靠的测量。