盡管無(wú)傳感器控制（如FOC、方波驅(qū)動(dòng)）在電動(dòng)工具等應(yīng)用中日益普及，但在工業(yè)機(jī)器人、AMR、直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)等高精度場(chǎng)景中，旋轉(zhuǎn)或線性位置傳感器仍是實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵組件。無(wú)刷電機(jī)位置傳感器供應(yīng)商-中芯巨能從技術(shù)角度分析主流位置傳感器在無(wú)刷電機(jī)控制中的應(yīng)用與選型依據(jù)。

傳感器類型與系統(tǒng)需求

位置傳感器不僅用于定子電流換向，還支撐速度環(huán)與位置環(huán)控制。在多軸機(jī)器人中，電機(jī)常通過(guò)減速齒輪連接負(fù)載，需結(jié)合轉(zhuǎn)子角度與圈數(shù)計(jì)算絕對(duì)位置。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，主要采用以下兩類編碼器：

增量編碼器：輸出正交脈沖（A/B/Z）或模擬正弦/余弦信號(hào)，分辨率可達(dá)28位，延遲<1μs，適用于高速變頻調(diào)速。但啟動(dòng)時(shí)需尋零（Index Search），無(wú)法直接提供絕對(duì)位置。

絕對(duì)編碼器：通過(guò)RS-485等接口輸出絕對(duì)角度，單圈分辨率10–30位，延遲低至10μs，支持多圈計(jì)數(shù)，適用于斷電保持位置的工業(yè)系統(tǒng)。

角度精度由有效位數(shù)（ENOB）表征，受量化噪聲、非線性度與系統(tǒng)噪聲影響。公式：

其中σ為角度標(biāo)準(zhǔn)差（1σ），實(shí)際精度常以6σ（99.7%置信區(qū)間）評(píng)估。

FOC系統(tǒng)中的傳感器要求

在FOC控制中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角度需與相電流同步采樣，延遲通常要求<20μs，以保證控制環(huán)路在下一個(gè)PWM周期前完成計(jì)算。典型工業(yè)應(yīng)用要求：

角度精度：0.1°–1°

ENOB：12–15位

采樣率：8–32kHz

直線電機(jī)系統(tǒng)則需絕對(duì)線性位置檢測(cè)，12位分辨率與<100μs延遲通常滿足需求。

主流傳感器技術(shù)對(duì)比

1. 磁性傳感器

霍爾效應(yīng)：成本低，集成3D霍爾（如TMAG5170）支持靈活PCB布局，SPI接口延遲低（<57.5μs），適用于線性位置檢測(cè)。

AMR（各向異性磁阻）：信噪比高，正交誤差小，耐強(qiáng)磁場(chǎng)。TMAG6180-Q1延遲<2μs，配合MSPM0G3507 MCU可實(shí)現(xiàn)0.05°誤差、15.4 ENOB（94.7dB SNR），適合高精度伺服。

TMR/GMR：靈敏度高，但成本較高，適用于極端環(huán)境。

2. 電感式傳感器

電感技術(shù)（如LDC5072-Q1）無(wú)需磁體，僅靠金屬靶標(biāo)感應(yīng)位置，抗外部磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)。采用游標(biāo)編碼結(jié)構(gòu)（如16:15極對(duì)數(shù)），可在PCB上實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)角度測(cè)量。相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)變壓器，其體積小、功耗低（<100mW vs. 500mW）、成本優(yōu)，適合空間受限應(yīng)用。

3. 光學(xué)與電容式

光學(xué)編碼器分辨率最高，但易受污染；電容式傳感器分辨率較低，應(yīng)用較少。

功能安全與診斷

在符合IEC 62061、ISO 13849或ISO 26262的系統(tǒng)中，需采用經(jīng)安全認(rèn)證的傳感器，并支持運(yùn)行時(shí)診斷（如信號(hào)異常檢測(cè)、冗余校驗(yàn)），以識(shí)別隨機(jī)硬件故障。

選型建議

高精度工業(yè)伺服：AMR + 高ENOB ADC + 數(shù)字濾波（FIR）

緊湊型線性系統(tǒng)：3D霍爾 + 高速SPI

強(qiáng)磁干擾環(huán)境：電感式傳感器

成本敏感應(yīng)用：增量編碼器或集成式磁編碼器

最終選型需綜合性能、尺寸、成本與EMC要求，結(jié)合MCU信號(hào)處理能力，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

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