Page 40 - CMOS影像感測器的元視覺：超越人眼看世界

DESIGN IDEAS
設計實例
磁定位感測技術實現機器人精準
控制
作者:Scott Bryson，TI 定位感測產品系統工程師
自主或與人們協同運作的機器人設計提供了便利、效率和準確 性，大力造福了製造業和工業領域。為此，在各種情況下監控 馬達位置有助於保持系統控制，並防止可能導致系統損壞或人 身傷害的意外動作。
步進馬達和無感測器馬達控 制並未提供絕對位置反饋，而是根 據起始位置的相對變化來估算位 置。當系統斷電時，必須透過其他 方式確定馬達的實際位置。
使用安裝在馬達軸上的磁鐵 為磁性編碼器提供輸入，能夠實現 非接觸式角度編碼。磁場由於不受 髒污或塵垢的影響，並將此類解決 方案整合於馬達上，可實現緊湊的 解決方案。編碼器追蹤旋轉的磁 場分量——自然呈現正弦曲線和 90度反相。這種關係能夠讓使用 這些輸入的反正切(ArcTangent) 函數迅速地計算角度位置。
誤差源進行校準，磁編碼就能實 現高精度。
至於列出的其餘技術，角編碼 器使用具有90度相位差的正弦輸 出來確定精確的角度位置。
多種磁編碼技術都將呈現相 同的最終效應。當磁鐵在馬達軸 上旋轉時，磁阻和霍爾效應(Hall- effect)感測器可以檢測到不斷變 化的磁場。3D線性霍爾效應感測 器等元件能夠計算角位置並提供 補償溫度漂移、不平衡輸入振幅 以及元件靈敏度和偏移的能力。
位置計算
霍爾效應感測器和磁阻感測 器等磁感測技術使用固定在馬達 軸上的磁鐵;感測器不需要任何機 械連接。與永磁體有關的磁場將滲 透到磁體周圍的區域，這為感測器 佈局提供了廣泛的自由度。旋轉磁 體的磁場向量分量是自然的90度 反相，這使得單晶片多軸磁感測器 能在單個裝置上執行角度編碼。緊 湊的解決方案、放置自由度和非接 觸式配置等優點，使得磁感測器對 角編碼應用更具吸引力。
除了訊號鏈誤差，機械容差也 影響著磁體的旋轉，從而決定檢測 到的磁場品質。實現最佳性能通 常需要透過多點線性化或諧波逼 近(harmonic approximation)實 施最終校準過程。一旦針對機械
電感式感測器的工作原理類 似於磁解決方案，透過耦合感應線 圈產生的交流(AC)磁場，在附近的
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驅動馬達可以直接旋轉負載， 驅動齒輪箱以增加所施加的扭矩、 控制齒條和小齒輪，或者透過皮帶 或螺桿傳動將能量轉移到其他地 方。隨著馬達的軸旋轉，動能轉換 成系統某處的機械位置變化。無論 如何，馬達軸的角度直接關係到機 構移動元件的位置。在匝數比非 1:1的情況下，追蹤馬達轉數也變 得很重要。
觀察兩個相差90度的等幅正 弦輸入，並使用這些訊號執行反 正切函數計算，從而追蹤馬達的 絕對角度。可用於計算角位置的技 術包括:1D霍爾效應感測器、3D 霍爾效應感測器、異向性磁阻感 測器、巨磁阻感測器、穿隧磁阻感 測器、電感式感測器、光學編碼、 步進馬達脈衝控制以及無感測器 馬達控制等。
光學編碼器往往可提供最高 精度，但通常需要笨重的外殼來 保護感測器和光圈免受灰塵、污 垢和其他污染物的影響。此外，編 碼器的機械元件必須耦合到馬達 軸。高於編碼器機械額定值的轉 速可能會導致無法修復的損壞甚 至引發停機的後果。