在当今电机设计领域，“无位置” 成为了一个热门的发展方向。然而，这并不意味着位置传感器会在电机应用中消失。实际上，位置传感器在电机控制中仍具有不可替代的作用，尤其是在一些特定的工业和机器人应用场景中。

当前，虽然在电动工具等应用中，采用无传感器设计的方波驱动无刷直流电机或场定向控制 (FOC) 无刷交流电机能够实现无需旋转角度传感器即可工作，但在工业和人形机器人、自主移动机器人以及直线电机运输系统等终端设备中，旋转角度传感器或线性位置传感器依然是不可或缺的关键组件。

位置传感器在无刷电机控制中具有多重作用。它不仅用于无刷直流电机或无刷交流电机的定子电流换向，还在速度和位置控制方面发挥着重要作用。以工业多轴机器人为例，通常在电机轴和机器人轴之间会装有一个齿轮。与电机轴耦合的旋转角度传感器，不仅要检测转子角度，还需要计算电机轴的转数，以此来控制相应机器人轴的等效角度位置。而且，编码器的类型会因具体应用的不同而有所差异。

增量编码器和编码器是常见的两种编码器类型。增量编码器一般使用 ABZ 数字或模拟单向接口，其中两个正交编码的数字脉冲序列信号（A 和 B）或两个模拟正弦 / 余弦信号（A 和 B）可实现低延迟相对角度测量，其分辨率从约 10 位到 28 位不等。可选索引（Z 或 I）能提供机械角度信息。不过，增量编码器在启动时不会提供角度，需要在索引出现之前旋转多一周。因此，这类编码器非常适合需要极低延迟 (<1μs) 但不需要在启动时获得角度的变速应用。

与之相反，单转或多转旋转编码器在启动时就可提供角度位置。它们配备双向 RS - 485 接口，支持特定于供应商的协议，还能实现时间触发角度测量，并提供旋转速度和旋转圈数等信息。其角度分辨率通常从 10 位到 >30 位不等，延迟低至 10μs，能够满足各种工业应用的需求。位置分辨率通常取决于通过数字接口传输的数据格式。例如，采用 20 位整数格式的角度分辨率为 360/22?；0h = 0 度、0xFFFFF = 360 度 - 360/22?。系统整体噪声明显高于量化噪声，该效应由有效位数 (ENOB) 来表征。通过角度的标准偏差（以度为单位测得）可以计算角度的 ENOB ，其计算公式如图所示：

角度噪声信号的均方根等于标准偏差 (1 σ)。角度精度不仅取决于通常采用 6 σ 值的峰值噪声，还与单转范围内的非线性度有关。

FOC 方法是一种高性能的电机控制技术，它可根据转子磁通角控制生成的定子电流矢量，从而通过永磁同步电机限度地增加转矩。FOC 能够提供平滑的转矩以及从静止到高速运行的快速瞬态响应。在人形机器人等终端设备中，旋转角度的测量精度通常为 1 度至 0.1 度，ENOB 为 12 位至 15 位，采样率为 8kHz 至 32kHz。旋转角度与电机相电流需要同时检测，低于 20μs 的低延迟角度测量为 (MCU) 提供了足够的时间来运行控制算法和在下一个 PWM 周期更新脉宽调制器 (PWM)。

不同于旋转电机，基于直线电机的运输系统需要线性位置检测，但同样应用 FOC 来获得转矩，12 位位置分辨率（延迟低于 100μs）通常就足够了。此外，要在工业机械中实现国际电工委员会 62061 或国际标准化组织 (ISO) 13849 等标准规定的功能安全，需要根据安全完整性等级或性能等级确定经安全的编码器，并使用位置传感器进行额外诊断，以检测随机硬件故障。在汽车应用中，根据 ISO 26262 标准设计的系统会在系统启动期间运行诊断，而工业系统通常全天候运行，因此需要在正常运行期间进行持续诊断。

位置传感器的类型主要包括光学传感器、磁传感器、电感式传感器和电容式传感器。光学传感器通常能提供分辨率，但磁传感器和电感式传感器在可靠性方面表现更优，并且可以降低系统总成本。在工业或汽车系统中，由于附近线路中存在大电流流动，这就要求使用不受杂散磁场影响的传感器技术，例如电感式传感器。电容式传感器的分辨率通常低于电感式传感器和磁传感器，而且在实际应用中并不常见。

对于在恶劣环境（如电机集成导致的高温）中的成本敏感型系统，TI 提供了磁性和电感式位置传感器。以磁性位置传感器为例，磁编码器是一种经济高效的检测旋转或线性运动的方式，它在含有灰尘、油和水的恶劣环境中具有良好的抗扰性。磁性位置传感器可检测磁场变化，并将其转换为电信号以生成输出信号。其技术种类繁多，包括霍尔效应、AMR、隧穿磁阻 (TMR) 和巨磁阻 (GMR) 等。

在直线电机运输系统中，当有效载荷载体以 5m/s 至 15m/s 的速度快速移动时，12 位位置分辨率（延迟低于 100μs 且采样率 ≤8kHz）通常就足够了。多个位置传感器可通过高速串行外设接口 (SPI) 总线连接到单个 MCU。TMAG5170 3D 霍尔效应传感器具有高精度、低延迟和电路板灵活放置等优势。其全温度范围内的灵敏度误差漂移小于 2.8%，10MHz SPI 可实现低延迟。此外，板载 3D 感应元件支持可配置的 XY、YZ 或 XZ 感应方向，提高了相对于磁体放置传感器时的灵活性。

AMR 传感器也是一种常用的磁传感器。它包含四个磁阻惠斯通电桥，其中两个电桥的输出的电压差能反映外部磁场强度。与霍尔效应传感器相比，AMR 传感器具有更高的工作频率和更高的信噪比 (SNR)；与 GMR 和 TMR 传感器相比，其正交误差相对可以忽略不计。在需要高精度编码器的伺服驱动器等应用中，AMR 传感器通常更为适合，因为它具有更高的磁场耐受度，可实现更强的整体抗扰性。

电感式位置检测与磁传感器相比，具有对外部直流电场固有的磁场抗扰性等优势。在电感技术中，只需将一个导电金属靶标（无需磁体）靠近感应，就能确定金属靶标围绕电机轴旋转时的位置。使用两个 LDC5072 - Q1 电感式传感器（每个感应线圈一个）的编码器，通过游标编码的方式，能够以较高的精度获得角度。与机械旋转相比，电感式编码解决方案在尺寸、重量、成本和功耗等方面都具有明显的优势。