傳感器在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

磁編碼器與磁位置傳感器在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用

磁編碼器與磁位置傳感器是機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要支柱，它們?cè)诰_控制、實(shí)時(shí)反饋和系統(tǒng)優(yōu)化中扮演了不可或缺的角色。隨著工業(yè)4.0和智能制造的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)精度、響應(yīng)速度，以及環(huán)境適應(yīng)性的要求日益提升，而磁編碼器和磁位置傳感器憑借其高分辨率、非接觸測量以及抗干擾能力，成為實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的核心技術(shù)。本文將為您探討這兩種關(guān)鍵傳感器在機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)中的應(yīng)用，以及Melexis（邁來芯）的相關(guān)解決方案。

磁編碼器可為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)高精度控制

隨著機(jī)器人和自動(dòng)化解決方案的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，從小范圍的專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域延伸到更多日常應(yīng)用場景，對(duì)能夠在這些系統(tǒng)中提供精確且經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)動(dòng)反饋的編碼器需求也隨之增長。對(duì)于確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用（如機(jī)械臂、自動(dòng)包裝機(jī)和工業(yè)編織機(jī)等）的精確運(yùn)行和安全性能而言，磁編碼器的反饋機(jī)制至關(guān)重要。

磁編碼器在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域中扮演了關(guān)鍵角色，其主要功能是精準(zhǔn)檢測運(yùn)動(dòng)部件的速度、位置和方向，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋以實(shí)現(xiàn)高精度控制。磁編碼器主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制反饋，用于測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，并將數(shù)據(jù)反饋到控制器，以實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制，并在多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，磁編碼器可確保各軸之間的運(yùn)動(dòng)同步，避免誤差積累。

磁編碼器可與伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)配合，提供閉環(huán)控制信號(hào)，優(yōu)化系統(tǒng)性能并減少能耗，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測速度和位置，編碼器可以幫助檢測異常，防止設(shè)備過載或運(yùn)行不穩(wěn)定，執(zhí)行故障檢測與保護(hù)功能。

磁編碼器因其高分辨率、低延遲和高可靠性，成為機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的器件，特別是在需要快速響應(yīng)和高精度控制的應(yīng)用場景中更顯其價(jià)值。

具有卓越的抗雜散場干擾能力的磁編碼器

由Melexis推出的Triaxis MLX90382是一款設(shè)計(jì)緊湊的絕對(duì)磁編碼器芯片，具備出色的性能特點(diǎn)。它擁有卓越的抗雜散磁場干擾的能力，能夠支持在軸和離軸的精準(zhǔn)感應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)包括與微型電機(jī)的無縫集成。該編碼器提供高達(dá)14位的分辨率，可提供絕對(duì)角度位置信息，采用差分輸出方式，并支持高達(dá)200k e-RPM的速度范圍，支持片上集成信號(hào)處理單元，可實(shí)現(xiàn)零延遲響應(yīng)，采用Triaxis霍爾技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中安裝相當(dāng)靈活。

MLX90382是一款功能全面的單片磁位置傳感器芯片，集成了先進(jìn)的Triaxis霍爾磁前端、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及專為高速信號(hào)處理和調(diào)理設(shè)計(jì)的數(shù)字處理硬件單元，同時(shí)配備了多個(gè)不同類型的輸出驅(qū)動(dòng)器。

MLX90382展現(xiàn)出卓越的360°抗雜散磁場能力（高達(dá)4 kA/m），并能精確感知施加于芯片的磁通密度的三個(gè)分量（Bx、By和Bz），以及對(duì)z軸上的差分磁場高度敏感。通過編程，用戶可靈活選擇使用任一軸向來確定角度，這種設(shè)計(jì)結(jié)合巧妙的磁性布局，使得MLX90382能夠精確計(jì)算任何旋轉(zhuǎn)磁體的絕對(duì)位置和增量位置。

MLX90382提供五種豐富的輸出模式，包括行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的單端和差分ABI接口，適用于增量角度輸出，以及單端和差分UVW信號(hào)仿真，專為BLDC電機(jī)設(shè)計(jì)，還有PWM接口，與可配置內(nèi)容的SPI接口與SSI接口，可支持功能安全要求。此外，SPI協(xié)議還具備多從站同步讀出功能，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的靈活性和效率。

MLX90382能夠有效解決復(fù)雜電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中常見的裝配難題，支持在軸和離軸的靈活安裝，為用戶提供更大的便利。這一特性使得該芯片能夠支持空心軸應(yīng)用，允許線束或其他組件穿過軸心而不干擾編碼器的反饋，從而在一定程度上降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。

MLX90382支持寬操作范圍，可在-40℃至150℃溫度范圍下運(yùn)作，支持5V和3.3V應(yīng)用，具有可編程線性傳輸特性，支持多達(dá)16個(gè)可編程點(diǎn)，并符合SIL-2安全集成標(biāo)準(zhǔn)，采用符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的單模4 x 4 mm2 QFN-24封裝。兩種型號(hào)均通過AEC-Q100（0級(jí)）標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，確保產(chǎn)品的可靠性。

MLX90382以其14位高分辨率、差分輸出方式以及高達(dá)200k e-RPM的寬廣速度范圍，成為工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人及電動(dòng)交通工具解決方案中的理想選擇，可應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)、織布機(jī)馬達(dá)、電動(dòng)汽車馬達(dá)、工業(yè)自動(dòng)化。為了加速開發(fā)進(jìn)程，Melexis還特別提供評(píng)估板（EVB90382）和全面的開發(fā)套件（DVK90382）。

MLX90382的評(píng)估板EVB90382提供了一種將MLX90382 Triaxis磁傳感器連接到微控制器或測量設(shè)備的簡便方法，可預(yù)編程MLX90382 IC，易于連接和評(píng)估，可縮短開發(fā)時(shí)間。EVB90382包含一個(gè)安裝在36mm x 48mm PCB中間的MLX90382 IC。該板包括機(jī)械加工引腳，可快速連接到MLX90382 IC接口。包括必要的無源器件，允許通過模擬輸出信號(hào)進(jìn)行連接。

磁位置傳感器可感知物體的位置、角度或運(yùn)動(dòng)

在以往機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案中，制造商往往優(yōu)先考慮性能頂尖的傳感器芯片，而對(duì)成本因素的考慮則相對(duì)不足。但是隨著機(jī)器人應(yīng)用的不斷拓展，制造商愈發(fā)重視在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)降低成本，這使得他們?cè)谶x擇器件時(shí)更加謹(jǐn)慎，以確保設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與簡便性，同時(shí)維持機(jī)器人的高可靠性和精確的運(yùn)動(dòng)重復(fù)性。

磁位置傳感器在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域中具有重要作用，利用磁場變化感知物體的位置、角度或運(yùn)動(dòng)，為系統(tǒng)提供高精度的反饋信號(hào)。磁位置傳感器可執(zhí)行非接觸式檢測，通過感應(yīng)磁場變化進(jìn)行測量，無需物理接觸，減少了磨損和維護(hù)需求。

磁位置傳感器能夠提供角度、線性位置或旋轉(zhuǎn)速度的高精度測量，滿足機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)精確控制的要求，并具備抗干擾能力，對(duì)灰塵、濕氣和油污等環(huán)境因素不敏感，適合在惡劣環(huán)境中使用，且其通常體積小，功耗低，非常適合集成到空間有限的設(shè)備中。

磁位置傳感器的優(yōu)勢包括耐用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定以及適應(yīng)各種環(huán)境的能力，使其在機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制、定位和安全檢測中成為不可或缺的器件。

具有創(chuàng)新磁鐵設(shè)計(jì)和卓越感應(yīng)能力的磁位置傳感器

由Melexis推出的MLX90384是一款用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的高精度磁位置傳感器。該產(chǎn)品采用Arcminaxis技術(shù)，配有磁鐵和軟件來校準(zhǔn)和操作系統(tǒng)，分辨率高達(dá)18位，并與螺距無關(guān)，單個(gè)集成電路適用于多種磁鐵類型，支持高速通信，配備快速SPI接口。

MLX90384的核心優(yōu)勢在于其創(chuàng)新的磁鐵設(shè)計(jì)和卓越的感應(yīng)能力。與常規(guī)的多極磁鐵傳感器芯片不同，MLX90384打破了磁極尺寸與傳感器芯片必須嚴(yán)格匹配的局限。這一特性使得采用更大、磁力更強(qiáng)的磁鐵成為可能，從而能夠輸出更強(qiáng)信號(hào)并支持更大的操作間隙，因此同一傳感器芯片能夠靈活匹配不同尺寸的磁鐵。

MLX90384內(nèi)嵌兩顆位置傳感器芯片，每個(gè)都集成一個(gè)Triaxis霍爾磁前端，一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，專為高速信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的硬件，以及一個(gè)10MHz的高速SPI接口。兩個(gè)IC均被設(shè)定為能夠敏感地檢測兩個(gè)磁通密度分量，第一個(gè)分量平行于芯片平面，第二個(gè)分量則垂直于芯片平面。

Arcminaxis MLX90384霍爾18位角度編碼器芯片融合多軸傳感與游標(biāo)技術(shù)，配備了兩條軌道（八極和七極）的游標(biāo)式磁鐵。MLX90384傳感器芯片負(fù)責(zé)測量這兩條軌道的軸向和切向磁分量。隨后，將這些信息傳輸給微控制器。微控制器則根據(jù)接收到的信息，精確計(jì)算出角度位置、速度以及累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)，可用于MCU微控制器校準(zhǔn)和操作系統(tǒng)的預(yù)編譯軟件包，并提供構(gòu)建編碼器解決方案的完整參考設(shè)計(jì)。

MLX90384傳感器采用大氣隙（airgap）傳感器磁鐵設(shè)計(jì)（1.5毫米標(biāo)稱），磁鐵傳感器放置公差達(dá)到±0.5毫米，可減少機(jī)器人關(guān)節(jié)裝配的復(fù)雜性和工作量，采用3.3 V電源電壓，以及TSSOP-16封裝，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，可在-20℃至85℃工作溫度范圍下運(yùn)作。MLX90384傳感器可作為絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置傳感器、高精度編碼器、機(jī)器人關(guān)節(jié)編碼器，應(yīng)用于電動(dòng)車、工業(yè)電機(jī)等領(lǐng)域。

MLX90384的評(píng)估套件EVK90384是專為簡化對(duì)Arcminaxis技術(shù)的探索過程而設(shè)計(jì)。該套件完全遵循MLX90384參考設(shè)計(jì)，確保項(xiàng)目快速啟動(dòng)，可精準(zhǔn)實(shí)施參考設(shè)計(jì)，具有便捷的連接與校準(zhǔn)流程，可有效縮短開發(fā)周期。Melexis提供全面的評(píng)估工具包用以簡化Arcminaxis技術(shù)的評(píng)估流程。該套件包含一個(gè)功能完備的桌面演示器，通過SPI主控器以實(shí)現(xiàn)便捷的USB-PC連接，以及一個(gè)直觀的圖形用戶界面（GUI），用于校準(zhǔn)和操控MLX90384演示套件。桌面演示套件結(jié)構(gòu)詳盡，集成了磁鐵環(huán)組、磁鐵支架、傳感器模塊、基礎(chǔ)器件、SPI主控器，以及連接傳感器模塊與SPI主控器的專用電纜，確保評(píng)估過程的高效與便捷。

結(jié)語

磁編碼器與磁位置傳感器作為關(guān)鍵技術(shù)，正在推動(dòng)機(jī)器人與自動(dòng)化領(lǐng)域邁向更高的控制精度和效率。這些傳感器不僅提供了精確的位置和速度反饋，還滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高響應(yīng)性與可靠性的需求。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的進(jìn)一步融入，這些傳感器的應(yīng)用場景將更加廣泛，從智能制造到醫(yī)療機(jī)器人，乃至無人系統(tǒng)，皆能受益于它們的創(chuàng)新能力。Melexis的磁編碼器與磁位置傳感器擁有絕佳的技術(shù)優(yōu)勢，將可助力智能化與自動(dòng)化的全面升級(jí)，為行業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值。