産業および車載用途における誘導型位置センサの役割

私たちが住む世界では自動化が進んでおり、利便性が高まるとともに、時間とコストの削減を実現しています。多くのアプリケーション、特に産業および自動車分野のアプリケーションでは、この自動化を実現するためにモータが必要です。さらに、モータの正確な制御が必要となります。そのためには、主に通常はシャフトに取り付けられているロータの位置と速度を知る必要があります。このための最も一般的な技術は、光学式、磁気式、誘導式の3方式です。

光学式エンコーダは精度が高く、多くのアプリケーションで見られる磁場の影響を受けにくいです。しかし、高価であり、回転ディスク、光源、光検出器に汚れが付着すると影響を受けやすくなります。

磁気式エンコーダは低コストのソリューションであり、精度をそれほど重視しない大量生産向きアプリケーションでよく使用されます。汚れの影響を受けにくい反面、産業用または車載アプリケーションに頻繁に発生する磁場の影響を受ける可能性があります。

誘導式エンコーダは磁気式ソリューションよりも高い位置精度を提供し、光学式エンコーダよりも低コストで、高レベルの汚れ、振動、外部磁場に対応可能なため、過酷な環境に最適です。さらに、誘導式エンコーダは、温度の影響を受けず部品点数が少ないため、サイズ、コスト、複雑さを低減できます。環境保護の観点から、レアアース材料（一部の磁石に使用される）に依存しないことが、さらなる利点です。

NCS32100デュアル誘導型位置センサ

オンセミ(onsemi)のNCS32100デュアル誘導型位置センサは、2枚のシンプルかつ革新的なPCBディスクを使用し、+ 50 arcsec、または0.0138度の機械的回転を超える世界クラスの非接触位置精度を実現します。1枚のPCBはモータのステータ（固定側）に取り付けられ、もう1枚の単層PCBはロータまたはシャフトに固定されます。両方のPCBは互いに平行で、0.1mm～0.5mmのエアギャップで分離されています。NCS32100はステータのPCB上に配置されています。

細い線および粗い線（デュアル）の導電トレース、つまりコイルは、両方のディスク表面にプリントされています。また、励磁コイルと呼ばれる第3の導電トレースは、ステータPCBにプリントされています。NCS32100は4MHzの正弦波を励磁コイルに送信し、ステータ励磁コイルの周囲に電磁場を作ります。ファラデーの相互誘導の法則により、ロータの細線および粗線コイルが電磁場を横切ると、ロータコイルに渦電流の形でエネルギーが結合されます。

一方、ステータの細線および粗線コイルは最大8つのNCS32100のレシーバ入力に接続されます。ロータが回転すると、ロータの渦電流がステータのレシーバコイルを妨害します。NCS32100は、内部のデジタルシグナルプロセッサ（DSP）内の独自アルゴリズムでこれらの外乱を処理することによって、ロータの位置を測定します。

NCS32100は、最大6,000回転／分(RPM)で± 50 arcsecの位置精度を達成し、精度は若干低下するものの、最大45,000 RPMの速度で位置を提供することができます。

このシンプルなソリューションには、実装する電子部品がほとんど必要ないため、小型化と低コスト化を実現できます。また、温度変化、汚染、外部磁場の影響をまったく受けません。

NCS32100は、産業用アプリケーションでの故障の低減、メンテナンススケジュールの延長、スループットの最大化、メンテナンスコスト削減のために開発された高精度の回転位置センサです。

このデバイスは、4MHzの励磁信号を供給する発振器を内蔵しており、戻ってきた波形を復調した後、デジタル領域に変換して処理します。この情報はArm^® Cortex^® M0+マイクロコントローラ(MCU)に供給され、ソリューションに高レベルの構成可能性を与えます。

NCS32100は、最大45,000 RPMの回転速度情報を提供可能なアブソリュートエンコーダであり、ディスクの回転がなくても位置を推定できます。NCS32100は、6,000 RPM未満の速度で±50 arcsecの精度を実現します。これは、これまで光学式エンコーダでしか達成できなかった性能です。

センサのキャリブレーションは、ロータが100～1000 RPMで回転している場合、内部ルーチンを使用してミッションモードで2秒以内に1つのコマンドで完了できます。その結果得られた係数は、参照用に不揮発性RAM (NVM)に保存されます。

その性能にもかかわらず、デュアル誘導型アプローチは、他の位置検出ソリューションの簡潔さを維持しています。ちなみに、光学式ソリューションの作成には、光ディスク、PCBステータ、LEDドライバなど、合計100個もの部品が必要です。

これに対して、NCS32100をベースとしたソリューションには、合計わずか12個の部品を搭載した一組のPCBしか必要ありません。このソリューションは、光学式ソリューションと同じ精度を実現します。

車載アプリケーションでは、コストと信頼性が重要である一方で、特にステアリングやブレーキなどの用途では、安全性が最優先されます。オンセミのNCV77320車載用アブソリュート型位置センサは、特にこのような重要なユースケース向けにISO26262に準拠して設計されています。NCV77320の位置精度は1,943 arcsec、つまり0.539度の機械的回転です。これは主に、NCS32100の8つのレシーバ入力に対して、NCV77320には3つのレシーバ入力しかなく、そして細線および粗線コイルPCBの構成に対応していないためです。しかし、NCV77320はロータリエンコーダまたはリニアエンコーダとして動作できます。

NCV77320のアプリケーションには、ブレーキペダルセンサ、アクセルペダルセンサ、モータ位置センサ、ブレーキシステムセンサ、車両レベルセンサ、トランスミッションレンジセンサ、スロットル位置センサ、排気ガス再循環センサなどがあります。

NCV77320は、NCS32100と同様に汚染、温度変化、磁気干渉の影響を受けにくく、周囲温度が-40ºC～+150ºCの車載環境で使用できます。

オンセミのNCS32100およびNCV77320誘導型位置センサは、産業用および車載用アプリケーション向け光学式および磁気式エンコーダよりも優れたソリューションです。オンセミの誘導型位置センサの詳細については、こちらのウェビナーをご覧ください。