V průmyslovém prostředí se vyskytují chemikálie, oleje, vysoká teplota či nadměrné rušení EMI, a tak konstrukce senzorů musí odolat těmto náročným podmínkám. Tam, kde dochází ke změnám konfigurace pohonů, se od senzorů očekává určitá flexibilita. Typickým řešením jsou senzory od AKM Semiconductor, Infineon Technologies a jednolité Power Systems.

K čemu slouží senzory úhlu polohy

Senzory úhlu se používají ke snímání polohy hřídele motoru, pro regulaci rychlosti v automobilech a pro vysoce přesné řízení v robotických systémech. Určují absolutní úhlovou polohu pomocí diametrálně magnetizovaného válce na rotační hřídeli. Detekuje orientaci magnetického pole a měří jeho sinusové a cosinové složky. Jelikož hřídel se může otáčet vysokou rychlostí, je důležité, aby data ze senzoru byla zpracovávána rychle a s minimální latencí.

Obvykle se používá jedna ze čtyř magnetických jevů: Hallův efekt, anizotropní magnetorezistence (AMR), magnetorezistence (GMR) a tunelová magnetorezistence (TMR) (obrázek 1). Při použití kterékoli z této technologie je nutné nejprve určit vhodnou vzdálenost mezi povrchem magnetu a senzorem na základě magnetických vlastností materiálu, specifikace senzoru a montážní tolerance.

Obrázek 1: Pokud se magnet otáčí, tak se odpor snímacího prvku mění s úhlem natočení. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Vzduchová mezera musí být v souladu s parametry magnetu (velikost a zbytková magnetizace). To vyžaduje pečlivý výběr příslušného magnetu (obrázek 2).

Obrázek 2: Vzájemná pozice magnetu a senzoru je dána vlastnostmi magnetu a vlastnosti okolního prostředí. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Úhlové senzory jsou flexibilní a dokáží se přizpůsobit jakékoliv situaci. Mohou pracovat jak v ose hřídele, tak i z boční strany. K dispozici je integrovaná energeticky nezávislá paměť, která slouží k uložení konfiguračních parametrů, jako je poloha referenčního nulového úhlu, nastavení ABZ kodéru, a informace o fázi vinutí motoru. Nastavení mezních hodnot magnetického pole umožňuje provádět funkce podobné tlačítku a na výstupu budou dva logické signály. Vše je v souladu s funkčními bezpečnostními normy, které jsou zárukou pro spolehlivý chod a přesnost v průmyslovém prostředí a automotive.

Splnění funkčních požadavků na bezpečnost

Úhlové senzory používané v automobilovém průmyslu vyžadují vysokou míru přesnosti, až do 0,1°. Tento požadavek plyne z bezpečnostní normy ISO 26262, která je určena pro velmi náročné provozní prostředí. Tyto senzory nalezneme v aplikacích jako je měření polohy v bezkartáčových DC (BLDC) motorech pro čerpadla, stěrače, brzdy, ventily, klapky, pedály a řízení. Přesnost 0,1˚ musí být zaručena v celém rozsahu teplot a životního cyklu produktu. Při nízkých hustotách magnetického toku, mezi 10 mT a 20 mT, kde se významně zvyšuje úhlová chyba, musí úhlové senzory sloužící v automobilovém a průmyslovém provedení stále dosahovat úhlových chyb do 0,2°.

Úhlové snímače jsou konstruovány tak, že se snadno integrují do aplikací, které hlídají bezpečnost. Jedná se o systém elektrického posilovače řízení (EPS), který se používá pro automatické parkování a udržování v jízdním pruhu.

Pro snadnější použití jsou úhlové snímače XENSIV TLE5109  a TLE5014 od společnosti Infineon k dispozici ve verzi s jednoduchou i duální maticí a integrují jak snímací, tak logické prvky do jediného čipu (obrázek 3). Verze Dual Die je vhodnější pro bezpečnostní aplikace ASIL-D.

Obrázek 3: Boční pohled (vlevo) na duální snímač úhlu (vpravo) pro aplikace zaměřující se na bezpečnost. Umístění shora dolů je vhodné pro úsporu nákladů pomocí levného feritového magnetu. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

TLE5109A16E2210XUMA1 je jedním z řady vysoce přesných rychlých analogových snímačů AMR s přesností 0,1°. Ačkoli jsou úhlové snímače založené principu AMR určeny pro měření úhlu do 180°, jsou použitelné také pro měření až 360° u motorů se sudým počtem párů pólů. Je to dáno tím, že snímací prvek AMR skutečně měří oba úhly, sinus a cosinus (obrázek 4). Díky vysoké přesnosti jsou vhodné pro široké spektrum magnetického pole s hustotou toku v rozmezí od 10 mT do více než 500 mT.

Obrázek 4: Snímač úhlu AMR je určen pro měření úhlu do 180°, ale může být použit pro měření až do 360°, protože měří sinus i cosinus úhlu. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Úhlové senzory TLE5109 je možno napájet 3,3 V nebo 5 V. Mezi další vlastnosti patří krátká doba spuštění mezi 40 µs a 70 µs, aby byla zajištěna minimální latence a podpora rychlostí více než 30 000 otáček za minutu.

TLE5014C16XUMA1 je jedním z řady senzorů GMR, které lze naprogramovat tak, aby vyhovovaly široké škále aplikací. Tato konfigurace se uloží do paměti EEPROM (obrázek 5). Tyto senzory zvyšují flexibilitu a snadné použití tím, že si lze vybrat mezi komunikačním rozhraním PWM, SENT, SPC nebo SPI.

Obrázek 5: Předem nakonfigurovaný a předem zkalibrovaný úhlový senzor TLE5014. Tuto konfiguraci uloženou v paměti EEPROM lze přizpůsobit libovolné aplikaci. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Úhlové snímače TLE5014 mají obvykle spotřebu 25 mA a je možno je napájet až 26 V. Single verze splňuje normu ISO 26262 ASIL-C a dual verze splňuje normu ISO 26262 ASIL-D.

Důležité parametry senzorů

Aby bylo možné plně využít vlastnosti úhlových senzorů a zároveň snížit hluk a optimalizovat hladkost a točivý moment motoru, je nutné věnovat pozornost následujícím parametrům. Přesnost, rychlost, latenci, axiální nesouosost a magnetický drift. Například, vysoká přesnost je klíčová pro automobilové a průmyslové prostředí. Dále se k tomu přidává tepelná stabilita a tolerance velikosti vzduchové mezery.

Těmto požadavkům vyhovují magnetické polohové snímače MagAlpha od společnosti Monolithic Power Systems – MA302GQ-P , MA702GQ-P / Z . Snímač MA730GQ-Z lze namontovat v ose rotace, ale i na boční stranu. Bezkontaktní snímání a 12 bitový kodér úhlu umožňují snímačům MA302 přesné měření úhlu od 0 ot / min do 60 000 ot / min. MagAlpha MA730GQ-Z má 14bitové rozlišení a poskytuje digitální odečty přes SPI rozhraní (obrázek 6).

Obrázek 6: Bezkontaktní senzor MagAlpha MA730GQ-Z je vybaven 14-bitové kodérem a poskytuje digitální odečty přes rozhraní SPI. (Zdroj obrázku: Monolithic Power Systems)

Pro pomalé operace, jako je ruční ovládání, kde rychlost otáčení zůstává pod 200 ot / min je tu k dispozici senzor MagAlpha MA800 . Tento digitální magnetický senzor je navržen jako náhrada analogových potenciometrů nebo otočných spínačů. Používá se s diametrálně magnetizovaným válcem od 2 mm do 8 mm.

MA800 má nižší rozlišení (8 bitů), ale má na čipu energeticky nezávislou paměť, kde je možné uložit mezní hodnoty magnetického pole. Díky tomu jsou vhodné pro aplikace, kde je třeba rozlišovat dva stavy.

Nulové zpoždění

AK7451  je 12-bitový úhlový senzor, který detekuje rychlost otáčení a úhel pomocí měření intenzity magnetického pole. Vyznačuje se kombinaci magnetů působících rovnoběžně s povrchem integrovaného obvodu a zároveň nabízí sledování rychlosti až 20.000 otáček za minutu. Po detekci vektoru magnetického pole paralelně s povrchem IC pošle na výstup absolutní úhlovou polohu magnetu a následně relativní úhlovou polohu.

AK7451 využívá architekturu sledovacího servosystému k zajištění snímání úhlu natočení s nulovým zpoždění (latencí). Tento senzor má výstup pro fáze vinutí UVW (obrázek 7). To výrazně zlepšuje jeho univerzálnost.

Obrázek 7: AK7451 umožňuje návrhářům naprogramovat 16 různých rozlišení výstupů ABZ a osm nastavení počtu výstupních pulzů UVW prostřednictvím EEPROM. (Zdroj obrázku: AKM Semiconductor)

Zde stojí za zmínku, že u některých aplikací pro snímání polohy není latence kritickým problémem. Například u snímače úhlu elektrického posilovače řízení (EPS) je požadována nová hodnota úhlu každou milisekundu (ms). Je také důležité rozlišovat mezi chybami způsobenými senzorem a magnetickým vstupem.

Závěr

Vysoká přesnost, malé rozměry a odolnost v drsném prostředí jsou vlastností, díky kterým úhlové senzory našli uplatnění v automobilovém průmyslu. Navíc splňují ty nejpřísnější normy funkční bezpečnosti. Pokud se rozhodnete použít magnetické úhlové senzory je nutné podrobně posoudit jejich vlastnosti jako je vhodná vzduchová mezera, síla magnetického pole, rychlost otáčení a přesnost úhlu. K dispozici je široká škála bezkontaktních senzorů, které poskytují nezbytnou přesnost, rychlost a programovatelnou flexibilitu, aby je bylo možné nasadit do jakékoli aplikace.

Článek vyšel v originále „How to Choose and Use Angle Sensors for Power Steering, Motors and Robotics" na webu DigiKey.com, autorem je Majeed Ahmad.