如何針對動力轉向、馬達和機器人選擇及使用角度感測器

隨著工廠和汽車越來越自動化，準確且低延遲的馬達機軸速度和位置感測，對於過程控制、系統可靠性與安全性至關重要。為因應這些需求，設計人員需要快速、準確、能夠靈活處理磁場變化和軸向錯位的角度旋轉感測器。

對於設計人員而言，時時存在的成本和時間壓力，以及工業和汽車應用的工作環境性質讓問題變得更加複雜，這在化學品、油品以及溫度和 EMI 方面都會帶來挑戰。此外，還需要考量磨損和不斷變化的配置，而這些都要求感測元件具有一定程度的彈性。

本文將說明角度感測器的作用，並展示如何使用特定組合的磁性輸入和感測器元件，來客製化速度和低延遲等位置感測功能。然後會介紹 AKM Semiconductor、Infineon Technologies 與 Monolithic Power Systems 的感測器解決方案範例，並討論相關的實作。

角度感測器的作用

角度感測器可用於感測馬達機軸的位置和速度變化，實現汽車的轉向角度感測，以及機器人系統的高精準度控制。這些感測器透過偵測所施加磁場的方向，並測量其正弦和餘弦分量來確定旋轉機軸上徑向磁化圓柱的絕對角位置。由於機軸可能會高速旋轉，因此務必要快速取得並處理感測器發來的資料並將延遲降至最低。

通常會使用以下四種磁性技術之一：霍爾效應、異向磁阻 (AMR)、巨磁阻 (GMR) 和穿隧磁阻 (TMR) (圖 1)。在使用這些技術時，設計人員必須先根據特定參數 (如磁屬性、感測器規格和組裝容差) 來確定從磁鐵表面到感測器的合適距離。

圖 1：當磁鐵在 TMR 感測器上旋轉時，感測元件的電阻會隨著旋轉角度而變化。(圖片來源：DigiKey)

此氣隙必須與磁鐵尺寸和殘磁 (又稱為殘留磁化量) 等參數一致。此外，設計人員還須確保氣隙變化不會導致磁場過弱或過強。這就需要針對應用的氣隙仔細考量恰當的磁鐵 (圖 2)。

圖 2：設計人員可根據多項設計考量因素，如所需的外部磁場抗干擾度和氣隙容差，來選擇磁鐵相對於感測器的位置。(圖片來源：Monolithic Power Systems)

不過，角度感測器可支援廣泛的空間配置和磁場強度，包括離軸或側軸安裝，以及軸端配置。為了幫助適應變化，感測器使用了晶片上非揮發性記憶體來儲存配置參數，如參考零度位置、ABZ 編碼器設定及馬達繞組的相位資訊等。

接著，開發人員便可利用此元件偵測各種磁場強度的能力，來客製化角度感測器，實現特定的功能，如診斷和軸向運動感測等。此外，提供的可編程磁場強度閾值，還可實現作為兩個邏輯訊號輸出的推或拉按鈕功能。

不過，雖然速度、低延遲和解析度等功能要視應用需求而定，但安全性是角度感測器設計的核心。因此，符合功能性安全標準，可進一步確保汽車及工業設計環境達到對準確度和可靠性的要求。

滿足功能性安全要求

汽車應用採用的角度感測器，準確度要求相當高，直至 0.1˚，有助於確保在嚴苛的工作環境中，符合 ISO 26262 功能性安全標準。這些感測器可用於測量無刷 DC (BLDC) 馬達中的幫浦、雨刷、煞車、閥門、擋片、踏板以及轉向角度位置。0.1˚ 的準確度適用於整個溫度範圍和產品生命週期。而且，即使在角度誤差會顯著增加的低磁通量密度 (10 mT 至 20 mT) 下，汽車和工業設計的角度感測器也須達到低至 0.2° 的角度誤差。

此外，角度感測器應能輕鬆整合到安全關鍵型設計中，如電動輔助轉向 (EPS) 系統，這對自動停車和車道保持等自駕功能至關重要。

為了解決容易使用的問題，Infineon 的 XENSIV TLE5109 和 TLE5014 角度感測器提供單晶粒和雙晶粒版本，並將感測和邏輯元件整合在一個晶片上 (圖 3)。雙晶粒版本更適合 ASIL-D 安全應用。

圖 3安全關鍵型應用所用的雙晶粒角度感測器 (右) 的側視圖 (左)，採用上下放置的方式來縮小空間，並使用低成本的鐵氧磁來節省成本。(圖片來源：Infineon Technologies)

TLE5109A16E2210XUMA1 屬於高精準度的 AMR 快速類比角度感測器系列產品，角度誤差為 0.1°。雖然 AMR 型角度感測器專為 180° 角度測量而設計，但也適合對含有偶數極對的馬達進行 360° 測量，原因在於 AMR 感測元件實際上會測量兩個角度：正弦和餘弦 (圖 4)。另外，此元件具有較小的角度誤差，因而適用於各種磁場，通量密度範圍為 10 mT 至 500 mT 以上。

圖 4：AMR 型角度感測器專為 180˚ 角度測量而設計，但由於可測量正弦和餘弦角度，也可用於 360˚ 測量。(圖片來源：Infineon Technologies)

TLE5109 角度感測器採用 3.3 V 或 5 V 的電源供電。其他功能還包括啟動時間短 (40 µs 至 70 µs)，可確保延遲最小，速度達到 30,000 RPM 以上。

TLE5014C16XUMA1 是 GMR 感測器系列產品，可透過將所需配置儲存於板載 EEPROM 進行編程，以適應廣泛的應用 (圖 5)。這些感測器還提供包括 PWM、SENT、SPC 和 SPI 在內的多種介面，具有較好的彈性和易用性。

圖 5：TLE5014 角度感測器已經過預先配置和校準，並具有靈活的編程能力，可適應任何採用板載 EEPROM 的應用。(圖片來源：Infineon Technologies)

TLE5014 角度感測器的供應電壓最高可達 26 V (絕對最大值)，電流耗用量通常為 25 mA。其單晶粒版本符合 ISO 26262 ASIL-C 標準，而雙晶粒版本符合 ISO 26262 ASIL-D 標準。

重要效能參數

為了充分實現角度感測器可減少音訊雜訊，並最佳化馬達順暢度和扭矩的能力，設計人員應仔細考量以下重要參數：準確度、速度、延遲、軸向錯位及磁鐵漂移。

例如，即使在惡劣的環境條件下，也要有高準確度的讀數，這對汽車和工業環境至關重要。若想在不增加系統設計的成本和複雜性下，讓角度感測器達成準確度目標，熱穩定性和氣隙容差等因素至關重要。

為了以最少的成本達成此要求，可將 Monolithic Power Systems 的 MagAlpha 磁性位置感測器，即 MA302GQ-P、MA702GQ-P/Z 和 MA730GQ-Z，以軸端和側軸 (離軸) 配置安裝在板的邊緣。在速度方面，無觸點感測和解析度達 12 位元的絕對角度編碼器，可讓 MA302 感測器在 0 rpm 至 60,000 rpm 的範圍內，提供準確的角度測量。MagAlpha MA730GQ-Z 具有 14 位元解析度，並可透過 SPI 連結提供數位讀數 (圖 6)。

圖 6：非接觸式 MagAlpha MA730GQ-Z 具有 14 位元解析度，並可透過 SPI 連結提供數位讀數。(圖片來源：Monolithic Power Systems)

不過，對於慢速作業，如旋轉速度維持在 200 rpm 以下的人機介面 (HMI) 或手動控制，該公司提供 MagAlpha MA800 數位磁性感測器，以取代類比電位器或旋轉開關。此元件可搭配 2 mm 至 8 mm 的徑向磁化圓柱使用，且其磁鐵配置和形狀都很靈活。

MA800 的解析度較低 (8 位元)，但具有晶片上非揮發性記憶體，以及可編程的磁場強度閥值。因此，此元件非常適合需要透過暫存器位元及輸出訊號來實作按鈕式讀數的應用。

零延遲角度感測器

AK7451 是一款 12 位元的角度感測器，可透過測量磁場強度來偵測轉速和角度。此元件具有一組平行於 IC 表面的磁鐵，可提供高達 20,000 rpm 的追蹤速度。在偵測到平行於 IC 表面的磁場向量後，此元件會依次輸出磁鐵的絕對角位置和相對角位置。

AK7451 採用追蹤伺服系統架構來確保零延遲的旋轉角度感測。這款零延遲角度感測器可輸出高達八極的 UVW 繞組相位 (圖 7)，這大大提高產品的多功能性，使其可用於各種馬達驅動器和編碼器應用。

圖 7：AK7451 可讓設計人員透過 EEPROM 編程 16 個 ABZ 輸出解析度設定，以及 8 個 UVW 輸出脈衝數設定。(圖片來源：AKM Semiconductor)

此外，ABZ 相位輸出解析度設定從 4 種類型擴充至 16 種類型，能提升馬達控制的可用性。這也可讓 AK7451 角度感測器在 DC 無刷馬達驅動操作中偵測轉子的位置，而無需安裝霍爾效應 IC。

值得一提的是，對某些位置感測應用來說，延遲不是關鍵的問題。例如，在電動輔助轉向 (EPS) 手輪角度感測中，每隔 1 ms 才會要求一個新的角度值。此外，務必要能區分由感測器 IC 或磁性輸入所造成的誤差，這樣才能使用角度感測器 IC 來補償與磁性輸入相關的誤差。

結論

雖然更高的準確度和更小的尺寸，在很大程度上推動著汽車與工業應用角度感測器的功能發展，但是符合功能性安全標準，概括了這些高精準度元件的整體價值主張。不過，若想充分發揮感測器的能力，設計人員需要仔細考量特定的應用要求，弄清楚各項效能參數，如適當的氣隙、磁場強度、轉速、角度誤差等。

如前所述，建立好這些需求後，便可選用各種能提供所需準確度、速度及可編程彈性的非接觸式感測器，以滿足這些需求。