Hoe te kiezen en hoeksensoren te gebruiken voor stuurbekrachtiging, motoren en robots?

Naarmate fabrieken en voertuigen meer geautomatiseerd worden, is de nauwkeurige en lage latency sensing van de snelheid en de positie van de motoras van cruciaal belang voor de procesbesturing, de betrouwbaarheid van het systeem en de veiligheid. Om aan deze behoeften tegemoet te komen, hebben ontwerpers behoefte aan hoekverdraaiingssensoren die snel en nauwkeurig zijn, met de flexibiliteit om variaties in het magnetisch veld en axiale uitlijningsfouten aan te pakken.

Het probleem voor ontwerpers wordt gecompliceerd door de altijd aanwezige kosten en tijdsdruk, evenals de aard van de bedrijfsomgevingen voor industriële en automobieltoepassingen, die uitdagend kunnen zijn op het gebied van chemicaliën en oliën, maar ook op het gebied van temperaturen en EMI. Andere overwegingen zijn slijtage en steeds wisselende configuraties, die een zekere mate van flexibiliteit binnen het detectieapparaat vereisen.

Dit artikel beschrijft de rol van hoeksensoren en laat zien hoe positiesensoren zoals snelheid en lage latency kunnen worden aangepast met behulp van specifieke combinaties van magnetische ingang en sensorelement. Samplesensoroplossingen vanAKM Semiconductor, Infineon Technologies, en Monolithic Power Systems worden dan ingevoerd, en de uitvoering ervan wordt besproken..

De rol van hoeksensoren

Hoeksensoren worden gebruikt om de positie van de motoras en snelheidsvariaties te detecteren voor de detectie van de stuurhoek van auto's en voor zeer nauwkeurige besturing in robotsystemen. Zij bepalen de absolute hoekpositie van een diametraal gemagnetiseerde cilinder op een roterende as door de oriëntatie van een toegepast magnetisch veld te detecteren en de sinus- en cosinuscomponenten ervan te meten. Aangezien de as met hoge snelheid kan draaien, is het van cruciaal belang dat de gegevens van de sensor snel worden verkregen en verwerkt, met een minimale vertraging.

Een van de vier magnetische technologieën wordt gewoonlijk gebruikt: Hall-effect, anisotrope magnetoresistentie (AMR), reuzemagnetoresistentie (GMR) en tunnelmagnetoresistentie (TMR) (Afbeelding 1). Bij het gebruik van een van deze technologieën moeten ontwerpers eerst een geschikte afstand van het magneetoppervlak tot de sensor bepalen op basis van specifieke parameters zoals magnetische eigenschappen, sensorspecificatie en montagetoleranties.

Afbeelding 1: Wanneer een magneet op een TMR-sensor wordt gedraaid, verandert de weerstand van het sensorelement met de draaihoek. (Bron afbeelding: DigiKey)

Deze luchtspleet moet consistent zijn met parameters zoals magneetgrootte en remanentie, ook bekend als residuele magnetisatie. De ontwerpers moeten er ook voor zorgen dat de variaties in de luchtspleet niet leiden tot te lage of te hoge magnetische velden. Dit vereist een zorgvuldige afweging van de juiste magneet voor de luchtspleet van de toepassing (figuur 2).

Afbeelding 2: Ontwerpers kunnen een magneet-naar-sensorpositie kiezen op basis van ontwerpoverwegingen zoals de vereiste mate van immuniteit voor externe veldstoring en luchtspleettolerantie. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

Desondanks kunnen hoeksensoren een breed scala aan ruimtelijke configuraties en magnetische veldsterktes ondersteunen, met inbegrip van zowel off-axis- of side-asmontage als end-of-shaft-configuraties. Om variaties te helpen opvangen, wordt het niet-vluchtig geheugen op de chip gebruikt om configuratieparameters op te slaan, zoals de positie van de referentienulhoek, de instellingen van de ABZ-encoder en de fase-informatie voor de motorwikkelingen.

Vervolgens kan het apparaat verschillende magnetische veldsterktes detecteren, zodat ontwikkelaars de hoeksensor kunnen aanpassen voor specifieke functies zoals diagnostiek en axiale bewegingsdetectie. De beschikbaarheid van programmeerbare drempelwaarden voor de magnetische veldsterkte vergemakkelijkt ook de implementatie van een druk- of trekknopfunctie die als twee logische signalen wordt uitgevoerd.

Hoewel functies als snelheid, lage latentie en resolutie afhankelijk zijn van de toepassingseisen, staat veiligheid centraal bij het ontwerpen van hoeksensoren. De naleving van de functionele veiligheidsnormen bevestigt verder de toewijding aan nauwkeurigheid en betrouwbaarheidsbewuste auto- en industriële ontwerpomgevingen.

Voldoen aan functionele veiligheidseisen

De hoeksensoren die in automobieltoepassingen worden gebruikt, vereisen een hoge mate van precisie, tot 0,1˚, om te helpen voldoen aan de ISO 26262 functionele veiligheidsnorm in een zeer veeleisende bedrijfsomgeving. De toepassingen voor deze sensoren omvatten positiemetingen in borstelloze DC (BLDC) motoren voor pompen, ruitenwissers, remmen, kleppen, pedalen en stuurhoek. De nauwkeurigheid van 0,1˚ geldt voor het gehele temperatuurbereik en de gehele productlevenscyclus. Bovendien moeten bij lage magnetische fluxdichtheden, tussen 10 millitesla (mT) en 20 mT, waar de hoekfout aanzienlijk toeneemt, hoeksensoren ten dienste van auto- en industriële ontwerpen nog steeds hoekfouten bereiken tot 0,2°.

Bovendien moeten hoeksensoren gemakkelijk worden geïntegreerd in veiligheidskritische ontwerpen zoals elektrische stuurbekrachtigingssystemen (EPS), die cruciaal zijn voor autonome functies zoals automatisch parkeren en het bijhouden van de rijstrook.

Om het gebruiksgemak aan te pakken, zijn Infineon's XENSIV TLE5109 en TLE5014 hoeksensoren beschikbaar in zowel enkele als dubbele matrijzenversie, en integreren ze zowel de sensorische als de logische elementen op een enkele chip (Afbeelding 3). Dubbele matrijsversies zijn meer geschikt voor ASIL-D veiligheidstoepassingen.

Afbeelding 3: Het zijaanzicht (links) van een dubbele matrijshoeksensor (rechts) voor veiligheidskritische toepassingen die gebruik maakt van boven-bodem plaatsing om ruimte te krimpen en kosten te besparen door gebruik te maken van een goedkope ferrietmagneet. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De TLE5109A16E2210XUMA1 maakt deel uit van een lijn die bestaat uit zeer nauwkeurige AMR-snelle analoge hoeksensoren met een fouthoek van 0,1°. Hoewel op AMR gebaseerde hoeksensoren zijn ontworpen voor 180° hoekmetingen, zijn ze ook toepasbaar voor 360° metingen in motoren met een even aantal polenparen omdat het AMR-detectie-element daadwerkelijk de dubbele hoek, sinus en cosinus meet (Afbeelding 4). Door hun kleine hoekfout zijn ze ook geschikt voor een breed scala aan magnetische velden, met fluxdichtheden van 10 mT tot meer dan 500 mT.

Afbeelding 4: De op AMR gebaseerde hoeksensor is ontworpen voor 180˚ hoekmeting, maar kan worden gebruikt om door de volledige 360˚ te meten omdat hij zowel sinus- als cosinushoeken meet. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De TLE5109 hoeksensoren werken met 3,3 volt of 5 volt voeding. Andere kenmerken zijn een korte opstarttijd van tussen de 40 microseconden (µs) en 70 µs om een minimale vertraging te garanderen en ondersteuning voor snelheden van meer dan 30.000 omwentelingen per minuut.

De TLE5014C16XUMA1 is een van de GMR-sensoren die kunnen worden geprogrammeerd voor een breed scala aan toepassingen door de vereiste configuratie op te slaan in het ingebouwde EEPROM (Afbeelding 5). Deze sensoren verhogen de flexibiliteit en het gebruiksgemak door ook een keuze aan interfaces te bieden die PWM, SENT, SPC en SPI omvatten.

Afbeelding 5: De voorgeconfigureerde en vooraf gekalibreerde TLE5014-hoeksensoren hebben de flexibiliteit om zich aan te passen aan elke toepassing met behulp van de ingebouwde EEPROM. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De TLE5014 hoeksensoren halen doorgaans 25 milliampère (mA) uit voedingsspanningen tot 26 volt (absoluut maximum) en voldoen aan ISO 26262 ASIL-C voor de versies met één matrijs en ISO 26262 ASIL-D voor de versies met twee matrijzen.

Belangrijke prestatieparameters

Om het vermogen van hoeksensoren om hoorbare ruis te verminderen en de soepelheid en het koppel van de motor te optimaliseren volledig te realiseren, moeten ontwerpers de belangrijkste parameters zorgvuldig overwegen: nauwkeurigheid, snelheid, latentie, axiale foutieve uitlijning en magneetafwijking.

Zo zijn hoognauwkeurige uitlezingen van cruciaal belang voor de automobielsector en de industrie, ondanks de zware milieuomstandigheden. Dat maakt factoren als thermische stabiliteit en luchtspleettolerantie van vitaal belang voor het vermogen van een hoeksensor om aan de nauwkeurigheidsdoelstellingen te voldoen zonder kosten en complexiteit aan het systeemontwerp toe te voegen.

Om tegen minimale kosten aan dergelijke eisen te voldoen, kunnen de MagAlpha magnetische positiesensoren van Monolithic Power Systems - MA302GQ-P, MA702GQ-P/Z en MA730GQ-Z- aan de rand van de printplaat worden gemonteerd voor zowel end-of-shaft als side-haft (off-axis)-configuraties. Voor de snelheid zorgen de contactloze sensoren en de 12-bits resolutie absolute hoekencoder ervoor dat de MA302-sensoren een nauwkeurige hoekmeting van 0 t/min tot 60.000 t/min kunnen leveren. De MagAlpha MA730GQ-Z heeft een 14-bits resolutie en biedt digitale uitlezingen via de SPI-link (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De contactloze MagAlpha MA730GQ-Z heeft een 14-bits resolutie en biedt digitale uitlezingen via de SPI-link. (Afbeelding: Monolithic Power Systems)

Voor langzame bewerkingen zoals de mens-machine-interface (HMI) of handmatige besturingen waarbij de draaisnelheid onder 200 rpm blijft, biedt het bedrijf echter de MagAlpha MA800, een digitale magnetische sensor die is ontworpen om analoge potentiometers of draaischakelaars te vervangen. Het wordt gebruikt met een diametraal gemagnetiseerde cilinder van 2 millimeter (mm) tot 8 mm, en de magneetconfiguraties en -vormen zijn flexibel.

De MA800 heeft een lagere resolutie (8 bits) maar beschikt wel over een niet-vluchtig geheugen op de chip en programmeerbare drempelwaarden voor de magnetische veldsterkte. Deze maken het geschikt voor toepassingen die de implementatie van drukknopuitlezingen via registerbits en uitvoersignalen vereisen.

Nul latentiehoek sensoren

De AK7451 is een 12-bits hoeksensor die de rotatiesnelheid en -hoeken detecteert door de intensiteit van een magnetisch veld te meten. Het beschikt over een combinatie van magneten die parallel aan het IC-oppervlak werken en tegelijkertijd een volgsnelheid tot 20.000 rpm bieden. Na het detecteren van de magnetische veldvector parallel aan het IC-oppervlak, geeft het de absolute hoekpositie van de magneet weer, en vervolgens de relatieve hoekpositie.

De AK7451 maakt gebruik van de tracking servo-systeemarchitectuur om nullatentie rotatiehoekdetectie te garanderen.k detectie. De nullatentie hoeksensor kan tot achtpolige UVW-wikkelfasen uitvoeren (Afbeelding 7), wat de veelzijdigheid ervan aanzienlijk verbetert, waardoor hij een breed scala aan motoraandrijvings- en encodertoepassingen kan bedienen.

Afbeelding 7: Met AK7451 kunnen ontwerpers via EEPROM 16 ABZ-uitgangsresolutie-instellingen en acht UVW-uitgangspulsnummerinstellingen programmeren. (Bron afbeelding: AKM Semiconductor)

Ook de uitbreiding van de ABZ-fase-uitgangsresolutie-instelling van vier types naar 16 types verhoogt de bruikbaarheid van de motorbesturing. Het staat ook AK7451-hoeksensoren toe om de rotorpositiebepaling te vergemakkelijken in DC borstelloze motorbediening zonder Hall IC-installatie.

Hier is het de moeite waard om te vermelden dat voor sommige position sensing-toepassingen, latentie geen kritiek punt is. Bij elektrische stuurbekrachtiging (EPS) wordt bijvoorbeeld elke milliseconde (ms) een nieuwe hoekwaarde gevraagd. Ook is het belangrijk om onderscheid te maken tussen fouten veroorzaakt door sensor IC en magnetische input, waardoor de hoeksensor IC kan worden gebruikt om de fouten met betrekking tot magnetische input te compenseren.

Conclusie

Terwijl de grotere nauwkeurigheid en de kleinere vormfactoren in grote mate bepalend zijn voor de functie die is ingesteld in hoeksensoren voor automobiel- en industriële toepassingen, vat de naleving van de functionele veiligheidsnormen de totale waardepropositie van deze zeer nauwkeurige apparaten samen. Om hun mogelijkheden volledig te benutten, moeten ontwerpers echter zorgvuldig rekening houden met specifieke toepassingsvereisten om duidelijkheid te krijgen over de prestatieparameters zoals de juiste luchtspleet, de magnetische veldsterkte, de rotatiesnelheid en de hoekfout.

Zoals blijkt, is er, zodra deze eisen zijn vastgesteld, een grote verscheidenheid aan contactloze sensoren beschikbaar die de nodige nauwkeurigheid, snelheid en programmeerbare flexibiliteit bieden om aan deze eisen te voldoen.