高精度角感应解决方案——NCS32100电感式位置传感器

在工业自动化和电机控制等领域，高精度的位置传感器至关重要。今天要给大家介绍的是安森美（onsemi）的NCS32100电感式位置传感器，它为高分辨率、高精度的角感应解决方案提供了强大支持。

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一、产品概述

NCS32100是一款功能齐全的控制器和传感器接口，与无接触式PCB传感器配合使用时，可实现高分辨率、高精度的角感应。它支持从静态到高速的各种应用场景，具有灵活的配置能力，可连接多种电感式传感器模式，并提供绝对串行数字输出。与传统位置传感器解决方案相比，电感式传感技术具有诸多独特优势，如对污染物不敏感、机械结构简化以及整体成本更低等。

1. 产品特性

• 绝对位置输出与可编程索引：提供绝对位置输出，并带有可编程索引。
• 多测量功能：可进行温度和备用电池测量。
• 高速通信支持：支持连接RS - 485驱动器（2.5 Mbps）。
• 速度与精度平衡：在全精度下最大速度可达6000 rpm，在降低精度时最大速度可达60,000 rpm。
• 宽电压范围：电源电压范围为2.75 V - 5.5 V，接口电平可从2.7 V转换到5.5 V。
• 低功耗模式：低功耗电池模式下典型功耗为2 mA，全工作电流典型值为80 mA。
• 内部可编程MCU：内部集成可编程M0 - ARM MCU，提供数据接口、配置、非易失性存储器（NVM）和校准功能。
• 环保合规：该器件无铅且符合RoHS标准。

2. 典型应用

• 工业自动化与机器人：在工业自动化生产线和机器人运动控制中，精确的位置检测是实现高效、稳定运行的关键。NCS32100的高精度和高可靠性使其成为这些应用的理想选择。
• 电机控制与定位伺服应用：在电机控制和定位伺服系统中，需要实时准确地获取电机的位置信息，以实现精确的控制。NCS32100能够满足这种需求，提高系统的性能和稳定性。

二、工作原理

NCS32100采用多芯片模块封装在一个5 mm x 5 mm的封装中。其内部包含一个振荡器，用于驱动主传感器激励线圈，同时还有解调电路，用于接收REC[n]引脚上传来的电感耦合传感器信号。两个12位ADC对解调后的信号进行数字化处理，数字化的值被传递到DSP模块进行处理，位置信息再从数字模块传递到内部MCU。数字位置数据通过Data[3:0]引脚输出，供外部驱动电路（如RS - 485驱动器）使用。内部MCU负责定义数据引脚的协议和时序，同时还处理校准程序，以在与传感器配合使用时实现最高精度。此外，NCS32100还配备了支持宽VCC范围和电池备份功能的电源电路，内部MCU的非易失性存储器用于存储校准参数和传感器前端配置。

三、关键参数与性能

1. 绝对最大额定值

额定值	符号	值	单位
电源电压范围	VCC	-0.3 to 6 V	-
VBAT电压范围	VBAT	-0.3 to 6	-
热阻（结到环境，稳态）	RJA	32 °C/W	-
热阻（结到外壳）	RJC	0.98 °C/W	-
存储温度范围	TSTG	-40 to 150 °C	-
焊接温度（10秒）	TSLD	260 °C	-
ESD能力（人体模式）	ESDHBM	2 kV	-
ESD能力（带电设备模式）	ESDCDM	0.5 kV	-
闩锁电流抗扰度	LU	100 mA	-

2. 工作条件

额定值	符号	最小值	典型值	最大值	单位
激励频率范围	F OSC	3	4	6	MHz
VCC	V CC	2.75	5.0	5.5	V
V BAT	V IN	2.75	3.3	4.2	V
VCC - V BAT	V NOM	0.3	0.7	5.5	V
GND引脚	V SS	-	0	-	V
REC引脚输入电压幅度（峰 - 峰）	V REC	0.015	-	0.120	Vpp
环境温度	T A	-40	-	85	°C
结温	T J	-40	-	105	°C
多圈计数范围	MT	-	-	24	bits
位置分辨率	ST	-	-	20	bits
速度分辨率	Vel	-	-	20	bits

3. 电气特性

在 (T{J}=25^{circ} C) ， (V{C C}=3 ~V - 5.5 ~V) 条件下，产品的电气特性如下：

• VBAT电流：单位为uA。
• 动态电流（ (V_{CC}=5.0V) ）：IDYN典型值为82 - 90 mA。
• Data[3:0]引脚驱动强度：单位为mA。

4. 时序规格

NCS32100默认输出‘Position 1’。由于系统存在延迟，当传感器轴速度不为零时，向外部RS485驱动器报告的位置与实际位置会有所不同。从NCS32100的REC引脚初始角度采样到RS485传输数字化位置数据的起始位下降沿所经过的时间，可量化为信号处理延迟加上MCU获取数字化数据并将其格式化为输出协议所需的时间（ ((T{SPD}+T{E})) ）。MCU作为内部主设备，其与信号处理模块的通信与信号处理的时序同步。DSP提供延迟补偿功能，可补偿信号处理延迟并报告‘Position 2’位置，‘Position 2’是基于先前位置和传感器当前速度的外推值。通过配置外推滤波器，还可以报告‘Position 3’。默认情况下报告‘Position 1’，即绕过外推。延迟补偿可通过适当的内部寄存器设置进行配置。

四、外部组件与配置

1. 外部组件

NCS32100作为一个系统运行时，仅需要最少数量的外部组件，包括电源引脚的旁路电容、LC振荡器引脚的调谐电容以及连接到LC振荡器引脚和接收器引脚的外部传感器线圈。激励线圈（连接在LC1引脚和LC2引脚之间）用于提供激励场，在转子线圈中产生涡流。转子中的涡流感应耦合到接收器线圈，产生与转子位置成比例的电压。接收器信号连接到REC[7:0]引脚。激励频率由公式 (f_{PRIM } approx frac{1}{2 pi sqrt{L × C}}) （其中 (C=frac{C 1 × C 2}{C 1+C 2}) ）确定，应设计合适的电容值，使激励频率达到4.4 MHz。

2. 配置

NCS32100的模拟前端通过16位40 MHz并行总线与嵌入式MCU通信。固件包含子程序函数，可实现与前端的通信，获取位置等数据。用户可以通过访问内部配置寄存器来控制器件的功能，这些配置寄存器在启动时从MCU的非易失性存储器加载，启动后也可以进行更改。参考固件允许读写这些配置寄存器，任何更改都会保存到MCU的非易失性存储器中。配置完成后，嵌入式MCU可以根据固件中实现的协议定义，格式化数据并将其传输到外部主设备。

五、其他特性

1. 开线圈检测

NCS32100具有开线圈检测功能，可检测是否有传感器线圈未连接到RECx引脚（开路）。如果传感器线圈中有断路或未连接，运行该测试将在状态寄存器（寄存器0x04的第13位）中显示0b’1。通过将数字控制寄存器（0x03的第13位）中的USER_OPENCOILDET_RUN位设置为1，可以立即启动开线圈检测测试，该位在测试完成前将保持高电平。数字控制寄存器中的OPENCOILDET_AT_POR_DIS位控制是否在启动时运行开线圈检测测试。

2. 外推调谐

该器件提供外推功能，可消除数据报告延迟的影响。当请求位置时，数据响应会有一定延迟。如果传感器正在移动，接收到数据时的位置与请求时的位置会不同。外推功能可以根据当前位置和速度预测延迟后的传感器位置，使数据读出为接收到数据时的位置。外推角度依赖于当前位置和当前速度，使用低通滤波器对速度进行处理以进行未来位置预测。外推计算的公式为 (theta{EXT}=theta{LPF}+K{v} v{LPF}+K{a} a{LPF}) ，其中 (K{v}) 是角速度系数， (K{a}) 是角加速度系数，均为可编程系数，需要用户进行校准。可以通过设置数字控制寄存器（0x03的第15位）中的USER_ABSALGO_EXTRP_DIS位来禁用外推功能。

3. 传感器校准

每个PCB传感器设计都存在一些系统不对称性，需要对精细和粗传感器进行校准，以补偿PCB不匹配、转子气隙、倾斜和偏心等问题。NCS32100的默认固件包含自校准程序，允许独立于参考进行校准。也可以通过主设备命令启动校准，还可以提供原始样本，以便使用参考编码器进行外部校准。测试表明，如果偏心和气隙与中心的偏差不超过±250 m，则无需重新校准即可保持50 arcsec或更低的精度。转子必须与轴中心对齐到50 m以内，以确保正确校准。参考设计固件包括校准程序和二次校准方法，可消除360度旋转单周期基波或低空间频率误差。

4. 电池备份

NCS32100支持电池备份模式，VBAT可以连接到标称3.3V的外部电池。正常运行时，电池的电流消耗小于1 μA。当VCC电压低于VBAT电压时，NCS32100将切换到从电池吸取电流。在此期间，内部MCU上运行的固件会使传感器前端进入睡眠状态以节省电量。固件会定期唤醒传感器前端进行位置读取并更新多圈计数。电池的电流消耗取决于唤醒周期，唤醒周期越短，NCS32100能够以更高的速度跟踪圈数，但电池模式下的平均电流消耗也会增加。用户可以通过NCS32100参考设计固件选择唤醒周期，以控制电流消耗和圈数跟踪能力。

六、应用信息

1. MCU功能

内部MCU允许通过其固件添加多种功能，最终负责定义输出协议和时序。一旦数据在MCU中可用，固件可以对其进行处理以进行输出。可能的附加功能包括：

• 灵活协议：可以编写内部MCU固件来更改绝对编码器模式下的通信协议。
• 错误报告：通过编写MCU固件来识别和处理特定错误，实现错误报告功能。MCU可以访问数字控制块中的寄存器，包括校准系数和线圈驱动器的增益设置，从而监测传感器信号强度，检测传感器线圈故障，并根据当前速度报告意外位置读数的错误。
• 电池电压监测：MCU配备内部ADC，其中一个ADC输入通道内部连接到VBAT电压的1/3分压版本，允许MCU对电池电压进行数字化监测。用户可以编程MCU报告电池电压，并在电池电压低于可接受水平时报告错误。
• 温度监测：内部MCU可以报告其自身的芯片温度，用户可以根据需要编程MCU报告内部温度。

2. 传感器速度

NCS32100内部每2 μs计算一次转子速度，可以配置速度低通滤波器来抑制噪声和速度抖动。配置寄存器部分详细列出了可用的滤波器系数。在保持全精度的情况下，传感器的最大速度为6000 rpm，在降低精度时，最大速度可达45000 rpm。这些速度限制基于粗线圈和精细线圈的周期数定义的电气速度。通过设计具有较少精细线圈周期的PCB传感器，可以提高机械速度能力，但位置精度和PCB尺寸也会受到影响。

3. 输出模式

NCS32100有四个数据引脚，支持通过固件编程实现的任何接口。Data[3:0]引脚使用内部电平转换器支持2.7 V到5.5 V之间的任何信号，输出电压由VDDIO供电。参考固件支持通过RS485接口实现2.5 MHz的UART通信，Data[3:0]引脚还支持SPI和直接GPIO控制。接口帧的内容和组织由固件定义，这种灵活性允许根据最终用户的应用进行修改。

4. 典型应用

以角位置传感器应用为例，内部信号处理具有高度可配置性。配置寄存器在电源启动时由内部MCU加载到数字逻辑寄存器中，因此配置由固件定义。PCB上的线圈设计可以根据特定的分辨率、精度和机械尺寸约束进行定制。NCS32100可以通过使用不同数量的线圈组来适应不同尺寸的传感器和精度要求，从而满足广泛的应用需求。在一个旋转传感器应用中，NCS32100提供传感器激励和传感器接收电路，使用RS - 485驱动器将UART数据发送到双绞线差分对，整个编码器模块电子设备可以轻松安装在定子PCB上，实现简洁、低成本的解决方案。

七、总结

NCS32100电感式位置传感器以其高分辨率、高精度、灵活配置和丰富的功能特性，为工业自动化、电机控制等领域的位置检测提供了优秀的解决方案。其独特的电感式传感技术和多种实用功能，如开线圈检测、外推调谐、传感器校准和电池备份等，使其在复杂的应用环境中具有出色的性能和可靠性。同时，内部MCU的强大功能和灵活的输出模式，也为用户提供了更多的定制化选择。如果你正在寻找一款高性能的位置传感器，NCS32100值得考虑。你在实际应用中是否遇到过类似的位置传感器，它们的性能和使用体验如何呢？欢迎在评论区分享你的经验。