Tranziția către conducerea autonomă presupune echiparea mașinilor cu un număr tot mai mare de senzori. Senzorii de câmp magnetic bazați pe efectul Hall oferă o serie de avantaje față de alte principii și tehnologii de măsurare. Modelele actuale respectă, totodată, cerințele mai stricte ale standardului ISO 26262:2018. Senzorii Hall detectează diferența de tensiune care rezultă atunci când un câmp magnetic este aplicat unui semiconductor, perpendicular pe direcția de curgere a curentului electric. Deoarece această tensiune Hall este direct proporțională cu intensitatea câmpului magnetic, senzorii, împreună cu un magnet permanent, pot măsura indirect numeroase variabile, de exemplu, rotația, viteza, distanța, presiunea, unghiul și nivelul de umplere. Deoarece senzorul măsoară intensitatea unui câmp magnetic în jurul unui conductor prin care circulă un flux constant de curent, acesta poate măsura, totodată, intensitatea curentului fără să fie în contact. În mod similar, acesta detectează și ceilalți parametri tot fără contact, ceea ce înseamnă că funcționează fără uzură și, prin urmare, oferă în mod fiabil măsurători precise, chiar și în cazul unei funcționări pe termen lung.
Senzorii Hall simpli sunt deseori utilizați ca întrerupătoare, de exemplu în sistemele de închidere a centurilor de siguranță, în ștergătoarele de parbriz sau în sistemele de comutare a motoarelor. În acest context, în senzor este stocată o valoare de prag pentru intensitatea câmpului magnetic. Dacă valoarea detectată atinge acest prag, starea de comutare a senzorului se schimbă. De exemplu, senzorul MLX92241 de la Melexis, având integrate condensatoare de blocare, face posibilă o proiectare fără placă de circuit imprimat locală, cu funcționare direct pe un ansamblu de cabluri, de exemplu, pentru a detecta dacă centura de siguranță este fixată. Memoria sa EEPROM poate stoca valori de prag specifice clientului pentru punctele de comutare, polaritatea de ieșire, curentul Ioff și coeficientul de compensare a temperaturii pentru materialul magnetic. Coeficientul negativ de temperatură, programabil, poate fi utilizat pentru a compensa comportamentul magneților permanenți care devin mai slabi la temperaturi ridicate. Elementele senzorului Hall sunt echipate cu mecanisme de siguranță pentru a fi protejate împotriva descărcărilor electrostatice, a polarității inverse și a suprasarcinii termice. Acestea respectă cerințele ASIL A.
Senzorii Hall liniari măsoară, de asemenea, distanțele și rotația
Pentru măsurarea distanțelor sau a mișcărilor de rotație sunt necesari senzori Hall cu semnale de ieșire liniare. Aceștia nu numai că recunosc stările “pornit” și “oprit”, ci emit și un semnal analogic proporțional cu intensitatea câmpului magnetic. Convertorul A/D, integrat fie în microcontroler, fie în senzorul Hall, transformă semnalul analogic într-un semnal digital. Pentru a controla alte componente ale sistemului, microcontrolerul emite un semnal PWM (Pulse-Width Modulated) proporțional sau un flux de date compatibil cu sistemul SENT de magistrală de senzori pentru industria auto. Unii dintre senzorii Hall de ultimă generație au interfața PWM și interfața SENT încorporate chiar în senzor.
Atunci când se utilizează senzori Hall care detectează doar câmpul magnetic perpendicular pe planul cipului, sunt deseori necesare completări suplimentare mari și costisitoare. Soluțiile mai avansate integrează un număr din ce în ce mai mare de senzori, precum și funcții de procesare a semnalelor și de calcul, eliminând de cele mai multe ori necesitatea unor componente suplimentare și permițând măsurarea unor parametri suplimentari.
De exemplu, senzorii Hall verticali detectează nu numai câmpul magnetic perpendicular pe direcția curentului, ci și pe cel paralel cu direcția curentului sau cu planul cipului. În plus față de amplitudinea câmpului magnetic, senzorii 2D detectează și direcția acestuia. În felul acesta se poate determina, bunăoară, direcția de rotație a unui motor. De exemplu, Xensiv TLE4988C de la Infineon, bazat pe tehnologia Hall, face posibilă măsurarea rapidă a poziției arborelui cu came. Un beneficiu major pentru producătorii de module este reducerea dependenței de utilizare a magneților cu polarizare inversă din pământuri rare; senzorul este optimizat pentru Fe, SmCo și NdFe, de exemplu. Calibrarea automată la bordul vehiculului ia în considerare toleranțele roților feromagnetice și ale encoderelor magnetice, precum și toleranțele de montare a senzorului, asigurând astfel o detecție extrem de precisă în mediile de aplicare reale. TLE4988C este livrat într-un pachet senzor − arbore (ax) cu came PG-SSO-3-52 placat cu Sn, precum și cu o interfață I/F cu 3 fire și o capacitanță de intrare/ieșire sporită, de 220/1,8nF pentru o mai mare robustețe EMC.
Senzorul analogic de unghi − Xensiv TLE5501 − de la Infineon se bazează pe tehnologia TMR (tunneling magnetoresistive − magnetorezistența tunel). Acesta dispune de o sensibilitate ridicată de detecție cu o tensiune de ieșire ridicată, eliminând necesitatea unui amplificator intern și permițând conectarea senzorului direct la microcontroler. În plus, tehnologia TMR se caracterizează printr-o derivă minimă a temperaturii, ceea ce reduce nevoia de calibrare și compensare externă. TLE5501 utilizează măsurarea unghiurilor de 360° pentru a detecta orientarea unui câmp magnetic prin măsurarea componentelor unghiulare sinusoidale și cosinusoidale folosind elemente TMR. Acesta emite semnalele brute sub forma unui semnal de ieșire diferențial. Datorită tensiunii de ieșire ridicată a punții, nu este necesară o amplificare suplimentară a semnalului. TLE5501 este disponibil în versiunile AEC-Q100 și ASIL pentru industria auto și este potrivit pentru detectarea poziției unghiulare, detectarea unghiului de direcție, aplicații de siguranță și comutarea motoarelor BLDC.
A treia dimensiune
Tehnologia senzorilor Hall 3D combină senzorii Hall laterali și verticali și, ca urmare, poate detecta intensitatea câmpului magnetic în toate cele trei dimensiuni. Cu ajutorul acestui tip de senzor este posibilă detectarea poziției absolute rotative sau liniare a fiecărui magnet în mișcare.
MLX92256, de exemplu, este echipat cu detecție laterală. Proiectat special pentru a fi utilizat în sistemele de ridicare a geamurilor, acesta integrează un regulator de tensiune, doi senzori Hall − unul cu IMC (Integrated Magnetic Concentrator − concentrator magnetic integrat) și ambii cu un sistem avansat de anulare a decalajului − și două drivere de ieșire open-drain, toate într-o singură capsulă. Dispozitivul este comercializat în două versiuni. Modelul MLX92256LSE-AAA-000 comută un puls de semnal atunci când există o schimbare în componenta laterală sau verticală, în timp ce pinul de direcție se modifică doar în cazul unei schimbări de direcție. Modelul MLX92256LSE-ABA-000 este echipat cu două ieșiri de viteză, una pentru câmpul perpendicular și una pentru câmpul lateral.
Senzorii de poziție Triaxis MLX90371/MLX90372 de la Melexis sunt acum disponibili în cea de-a treia generație. Aceștia combină un front-end Triaxis Hall magnetic, un circuit de condiționare a semnalului analogic/digital, un DSP (procesor de semnal digital) pentru procesarea semnalului și un driver al etajului de ieșire. Aceștia sunt imuni la câmpuri parazite de până la 4 kA/m (sau 5 mT), ca urmare a electrificării crescânde a vehiculelor, în special a vehiculelor electrice și hibride. Deoarece pot funcționa și cu un câmp magnetic slab, magneții mai mici și mai ieftini sunt de ajuns. Acest lucru duce nu numai la beneficii în materie de costuri, ci și la economii de spațiu. MLX90371 este un ASILB SEooC (Safety Element out of Context − element de siguranță în afara contextului) conform ISO 26262 și oferă o ieșire analogică sau PWM. MLX90372 este un ASIL-C SEooC conform ISO 26262 și dispune de o ieșire SENT sau PWM. Ambele îndeplinesc cerințele EMC ale producătorilor de echipamente originale pentru automobile și sunt specificate pentru temperaturi de funcționare de până la 160°C. Pentru aplicațiile cu cerințe de siguranță deosebit de stricte, cum ar fi detectarea poziției pedalei de accelerație, MLX90372 este disponibil, de asemenea, într-o capsulă TSSOP-16 “dual die” (complet redundantă) pentru detectare redundantă.
TDK-Micronas oferă o familie de senzori 3D programabili pentru detectarea poziției. Aceasta este formată din trei membri: HAL 3900 cu o interfață SPI, HAL 3930 cu o interfață PWM/SENT și o ieșire de comutație (configurabilă ca un switch high/low-side) și HAL 3980 cu o interfață PSI5. Senzorii pot suprima câmpurile magnetice externe de dispersie prin utilizarea unei rețele de plăci Hall. Pentru a măsura un unghi de rotație este necesar doar un magnet simplu cu doi poli, plasat în mod ideal deasupra zonei sensibile într-o configurație de capăt de arbore. Senzorii pot fi utilizați și pentru măsurători în afara axei. Aceștia pot măsura o gamă unghiulară de 360°, mișcări liniare și o poziție 3D, ceea ce îi face ideali pentru detectarea poziției unghiului de direcție. În funcție de dispozitiv, este posibil să se transmită valori compensate de temperatură ale BX, BY, BZ sau până la două unghiuri calculate. Senzorii HAL-39xy funcționează într-un interval de temperatură de la -40°C la +160°C; sunt pregătiți pentru ASIL B și sunt proiectați ca SEooC în conformitate cu ISO 26262 pentru aplicații auto.
Robuști și fiabili
Exemplele arată nu numai că s-au făcut progrese enorme în tehnologia senzorilor pentru a satisface cerințele tot mai mari ale automobilelor, ci și că designul acestora a evoluat. Multe dintre cele mai recente modele respectă, de asemenea, liniile directoare mai stricte ale ISO 26262:2018, unele conform ASIL-C SEooCs. Redundanța și funcțiile de siguranță contribuie la acest lucru, precum și măsurile de îmbunătățire a EMC. Capsulele corespunzătoare asigură că senzorii sunt rezistenți la umiditate, praf și murdărie. Pentru utilizarea în medii cu temperaturi ridicate, senzorii Hall sunt specificați pentru temperaturi de funcționare de până la 170°C. Datorită tuturor acestor caracteristici, rolul lor este esențial în procesul de trecere la conducerea autonomă.
Autor: Edgar Schaefer, Automotive FAE
Rutronik | https://www.rutronik.com
