Level 2
**************************
此次TLE5109A样片申请活动已经结束，不论是否申请成功，我们都已经发送了邮件通知。（若未收到邮件通知，请主动联系我们，邮箱：autoeco@infineon.com）
收到样片的小伙伴，如果有任何技术问题，也可联系我们！也期待你们在生态圈的分享！
**************************
家用自动升降台可自动上升到精确位置；
激光切割机床在切割物料时能做到不差毫厘；
我们转动汽车方向盘时，车轮轻松达到精确的转弯角度；
……
在我们生活中，这些理所当然的场景，都是靠电机在背后默默输出动力！而电机准确判断出动力角度及速度还要归功于传感器——
正如视频中所说，电机的精确控制离不开编码器的反馈。接下来我们就给大家补充一些编码器的知识，同时也分享关于磁性编码器的一个应用案例。
传感器的种类有很多种，比如测量温度，湿度，光照等，在工控领域，我们通常把测量机械运动，如角度、速度、位置等信息的传感器称为编码器。编码器好比人的眼睛，通过不同的方式精确的测试电机的角位移和旋转位置等数据，然后告知总指挥官大脑——控制器，通过解析编码器返回的数据，再次给电机发出控制指令，从而形成闭环让电机达到精准的控制。
三类常用编码器对比
根据编码器的工作方式，我们把编码器分成三大类：光电编码器、旋转变压器、磁编码器。
光电编码器，顾名思义就是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量。光电编码器的输出通常是三根信号线，其中AB线是相差90°的正交脉冲，可以盘点电机旋转方向，Z线输出转速的脉冲信号。
光电编码器原理
旋转变压器，与普通变压器类似，旋转变压器的一次侧绕组作为激磁绕组，运行时通入激磁信号；二次侧作为信号绕组，运行时通过和激磁绕组互感产生信号，并随着相对旋转，输出两相包含转子位置信息的正余、弦信号，通过解码软硬件进行解码后获取位置角。
旋转变压器原理
磁编码器，采用磁电设计，由磁感应器件的磁场变化来产生或提供电机的位置和速度。磁性编码器内部的磁敏元件是重要组成部分，他们的电阻会因为外加磁场的变换增加或减少。电阻的变换量称为磁阻，这种发生变化的现象为磁阻效应。磁敏元件的灵敏度非常高，所以磁编码器输出十分的精准。
三种编码器对比：
编码器类型 | 优点 | 缺点 |
光电式编码器 | 体积小、重量轻、精度高，测量可靠、易于维护。 | 对工作环境较为敏感，难以适应烟雾，油污较多的恶劣环境；制作成本高。 |
旋转变压器 | 使用可靠，寿命长，耐油污，温度范围大，抗冲击，抗辐射，本身具有隔离作用。 | 体积较大，并需要复杂的后续信号处理电路，由于输出的是模拟信号，在发展过程中，应用受到限制。 |
磁编码器 | 抗冲击、耐振动，适用于绝大多数的恶劣工作环境。基本部件少，结构简单，体积小，价格便宜，且所用的磁敏电阻具备良好的高频特性，响应速度快，可靠性高。 | 作为一种新型的位置检测元件，其输出信号分辨率与位置解算精度仍具有较大的提升空间 |
与光编和旋转变压器相比，磁编码器因为其所需器件数量少、结构简单、安装方便，又抗震、耐腐蚀等，出现在很多控制应用中，比如伺服数控机床、无人机、手持云台、机器人、机械手臂中会出现磁编码器的身影。除此之外，在汽车应用中，磁编码器也是处处可见。
典型编码器之磁编码器的应用场景
正式讲应用前，进一步给大家普及下磁编码器的工作原理：
磁编码器的信号处理部分是通过软、硬件技术从磁敏元件输出的正余弦信号中提取出高精度的转角位置信息。
磁编码器输出正交信号
硬件部分负责对传感器的两相输出正交信号进行放大、调理、变换，使得硬件处理后的信号能够适用于微处理器的采样和软件处理，而软件部分则是通过对采样数据的解码运算和误差校正，从采集的两相正交信号数据中获取优化后的角度位置信息，并以增量式编码或数字式通信的方式输出角度位置信息，从而实现磁编码器的整体结构设计。
常用（位置）磁编码器：它不受恶劣环境因素的干扰，可一直保持自身的高精度输出。所以越来越多的高精度场合使用了磁编码器。
磁编码器内部磁敏元件的磁阻效应通常分为以下几类：
AMR（各向异性磁阻效应）：铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角改变而变化。
GMR（巨磁阻效应）：巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻产生于层状的磁性薄膜结构，晚于AMR出现，但是灵敏度比较高，是应用最广泛的。
TMR（穿隧磁阻效应）：利用磁性多层膜材料的磁道电阻效应对磁场进行感性，比ARM和GMR具有更大的电阻变化率，是目前最新的磁阻效应，相应的磁编码器输出灵敏度是最高的。
英飞凌已经推出多个不同磁阻效应的位置磁编码器产品：
在GMR中，TLE5009和TLE5012B是英飞凌的明星产品，适合较低精度要求的应用场合。比如在工业领域中，工业机器人要根据完成一系列的指令运动，需要对各个关节的位置，扭矩和速度进行精准测量。这时就可以采用TLE5012B反馈角度数据，TLE5012B还支持不同的接口，使用非常方便。因此，TLI5012B这款传感器，虽精度稍低，但成本更友好，普遍适用于工业领域。
而高精度的场合，则建议采用英飞凌AMR新品TLE5109A。它有最佳的角度精度，具有非常高的场范围、低抖动的特性，是专为超精密和快速旋转测量应用而设计。如BLDC电机位置、EPS转子位置、踏板和旋转开关、阀门或襟翼位置感应、转向角传感、电动机、磁编码器、高速应用、汽车和工业安全应用等等。如果你对TLE5109A感兴趣，想要率先体验的小伙伴，可以点击这里申请TLE5109A样品试用。
磁编码器（TLE5009）在EPS中的应用
汽车方向控制系统中电动助力转向系统（EPS）是当前汽车电控系统中研究的热点，在控制过程中方向盘转角传感器是最重要的，如何能准确计算方向盘转角的位置和转角变化速率呢？
需要利用磁编码器的高灵敏度特性！基于磁环位置检测的方法，能够高精度计算出多圈情况下方向盘的转动角度，并利用理论分析和MATLAB仿真，验证EPS系统的可靠性及精确性。
汽车方向盘转角传感器系统安装于汽车的方向盘转向管柱上，主要由两大部分构成：机械机构部分和信号处理电路部分，其中信号处理电路部分主要包括安装在齿轮组下方以及多极磁环侧面的巨磁电阻芯片TLE5009、单片机处理电路、CAN通信电路、以及PCB电路板。
EPS传感器结构示意图
当方向盘转动时，转向柱齿轮和磁环随之转动，转向柱齿轮带动磁钢大齿轮转动。磁钢大齿轮中间安装有带磁性的小磁铁，小磁铁也随着磁钢大齿轮转动；多极磁环上刻有磁极对，跟随转向柱一起转动。安装在齿轮组下方的TLE5009对于转动角度进行粗略测量，同时记录圈数。安装在多极磁环侧面的TLE5009能够对转动角度进行精确测量。二者配合能够精确计算出方向盘转动的角度。
方向盘转角传感器整体硬件结构如下图所示。转角传感器由电源模块、GMR芯片-TLE5009、
信号调理模块、复位电路、单片机以及角度输出模块等组成。
系统硬件结构框图
系统上电后，信号调理电路ADC转换的4路GMR传感器的磁场模拟信号是单片机进行数据运算的基础。在开启中断后，单片机开启一次A/D转换，采集4路模拟信号。当ADC模块完成4路信号的A/D转换，单片机从缓存区中读取出4路模拟信号的A/D转换值，进行软件滤波和查表算法求反正切函数，从而求出磁钢和多极磁环的角度值，并推算出转向柱的绝对转角。
为了验证算法的可靠性与可行性，用MATLAB软件对其进行了方向盘行程(0°～1080°)内的仿实验，结果如下图所示。
磁钢和磁环各自测量值与方向盘转角的关系
磁钢和磁环各自测量值与方向盘转角的关系
从仿真结果看，方向盘角度传感器使用该算法可以在理论上实现十分精确的角度测量。样机进行在不同转角角度下采集实测角度值，实验结果如表所示：
这表明TLE5009可以准确测量汽车方向盘行程范围内的转角，满足车身电子稳定系统(ESP)和电动助力转向系统(EPS)对方向盘转角传感器的精度要求。在ESP系统中，TLE5009都可以达到系统要求，高精度的TLE5109A自然也不在话下。
高精度位置、角度、速度的电机控制，才可以适应工业4.0，新能源以及汽车电子等应用，磁编码器成为这些应用中主流的编码器。正如英飞凌最新的TLE5109A，磁编码器在技术角度仍然不断的突破，推出适应更广的产品。如果你对TLE5109A感兴趣，可以识别下面二维码申请样品。
微信扫描二维码，立即申请样片
28 评论