Senzor de poziție multitură cu capabilități TPO (True Power-On) și consum zero de putere

Introducere

Senzorii de poziție și codificatoarele sunt omniprezente în aplicațiile auto și industriale în care este esențial ca poziția sistemului să fie cunoscută în orice moment. Cu toate acestea, senzorii de poziție și codificatoarele existente nu pot furniza decât informații despre poziția pentru o singură rotație sau informații despre poziția reală la pornire (TPO) în domeniul de 360°. Sistemele care au nevoie de informații despre poziția TPO pentru mai multe rotații sau pe o gamă mai largă de măsurători includ, de obicei, o sursă de alimentare de rezervă pentru a urmări și a memora rotațiile multiple ale senzorului rotativ după o pierdere neașteptată a energiei electrice sau pentru a înregistra rotațiile multiple în timpul opririi sau întreruperii alimentării. Alternativ, se poate adăuga la sistem un mecanism de reducție pentru a reduce rotațiile multiple la o singură rotație care, în combinație cu un senzor cu o singură rotație, să obțină informații despre poziția TPO pentru mai multe rotații. Aceste soluții sunt costisitoare și voluminoase iar, în cazul sistemului de alimentare de rezervă cu baterii, este necesar un contract de întreținere periodică.

Figura 1: Principiul de funcționare al senzorului magnetic multitură. (© ADI)

Codificatoarele rotative și liniare sunt dispozitive cheie pentru aplicațiile în care proiectantul sistemului trebuie să se asigure că poziția unui sistem mecanic este întotdeauna cunoscută pentru un sistem de control în buclă închisă, chiar și după o pierdere a alimentării cu energie electrică, fie ca parte a ciclului normal de funcționare, fie accidental. Provocarea pentru proiectanții de sisteme este de a se asigura că poziția TPO este disponibilă chiar și după o întrerupere a alimentării. Dacă se pierde ultima stare a sistemului, este necesară o procedură lungă și adesea complexă pentru a readuce sistemul într-o stare cunoscută.

Figura 2: Diagrama bloc a senzorului ADMT4000 multitură. (© ADI)

Soluții existente

Fabricile moderne devin din ce în ce mai dependente de roboți și coboți pentru reducerea duratei ciclurilor, pentru creșterea randamentului fabricii și pentru îmbunătățirea eficienței. Unul dintre costurile și ineficiențele majore asociate cu roboții standard, coboții și alte echipamente de asamblare automatizate este timpul de nefuncționare rezultat, necesar pentru repunerea în funcțiune a roboților după o cădere bruscă a energiei electrice în timpul exploatării. Acest timp de nefuncționare și pierderea de productivitate rezultate sunt atât costisitoare, cât și ineficiente. Deși problema poate fi rezolvată cu ajutorul bateriilor de rezervă, memoriei și senzorilor cu o singură rotație, aceste soluții au limitele lor. Bateriile au o durată de viață limitată și sunt necesare contracte de întreținere/service pentru a asigura înlocuirea lor. În anumite medii, în care există riscul de explozie, energia maximă care poate fi stocată în pachetul de baterii este limitată. Reducerea stocării energiei duce la un ciclu inferior de întreținere, în care bateriile trebuie înlocuite mai frecvent.

Figura 3. Ansamblul unei aplicații tipice bazate pe ADMT4000. (© ADI)

O alternativă la bateria de rezervă este utilizarea modulelor Wiegand de recoltare a energiei prin cablu. Aceste module utilizează un fir special tratat, în care coercitivitatea magnetică a învelișului exterior este mult mai mare decât coercitivitatea miezului interior. Diferențele de coercitivitate creează vârfuri de tensiune la ieșirea dispozitivului atunci când un câmp magnetic este rotit. Vârfurile pot fi utilizate pentru a alimenta circuite externe și pentru a înregistra numărul de rotații într-o memorie feroelectrică cu acces aleatoriu (FRAM). O asemenea memorie magnetică – dezvoltată de Analog Devices – nu are nevoie de alimentare externă pentru a înregistra numărul de rotații ale unui câmp magnetic extern. Acest lucru conduce la o dimensiune și un cost redus al sistemului.

Tehnologia senzorilor multitură

În centrul senzorului magnetic multitură se află o spirală realizată dintr-un material cu magnetorezistență gigantică (GMR) compus din mai multe nanofire de elemente GMR. Principiul de funcționare al senzorului se bazează pe anizotropia formei și pe generarea de pereți de domeniu magnetic în prezența unui câmp magnetic extern. Pe măsură ce câmpul magnetic extern se rotește, pereții domeniului se propagă prin pistele spiralate înguste (nanofire) atașate la generatorul de pereți de domeniu, așa cum se arată în figura 1.

Figura 4: ADMT4000 într-o aplicație robot/cobot. (© ADI)

Pe măsură ce pereții domeniului magnetic se deplasează prin structurile bazei spiralate, starea fiecărui element al acesteia se schimbă. Deoarece elementele sunt fabricate din material GMR, starea fiecăruia poate fi determinată prin măsurarea rezistenței lor. Senzorul se bazează doar pe câmpul magnetic extern și nu este nevoie de nicio sursă de alimentare de rezervă suplimentară sau de o tehnică de recoltare a energiei pentru operațiunea de numărare a turelor. Atunci când senzorul este realimentat, este disponibilă o citire a stării numărului de ture, fără a fi necesare alte acțiuni ale utilizatorului sau resetarea sistemului.

O soluție tehnologică combinată care simplifică proiectarea sistemului

Figura 5: ADMT4000 în aplicații rotative – liniare, care implică un dispozitiv de acționare. (© ADI)

Diagrama bloc a dispozitivului ADMT4000, prezentată în figura 2, combină senzorul multitură GMR descris anterior cu un senzor unghiular AMR de mare precizie și un circuit integrat de condiționare a semnalului pentru a oferi o soluție capabilă să înregistreze o mișcare de 46 de ture sau 16 560° cu o precizie tipică de ±0,25°. Circuitul integrat de condiționare a semnalului permite îmbunătățiri suplimentare ale sistemului pentru a suporta calibrare armonică, care poate elimina erorile datorate toleranțelor magnetice și mecanice din aplicație. ADMT4000 oferă o ieșire digitală absolută de 46 de ture (de la 0° la 16.560°) prin intermediul unei interfețe SPI sau SENT. ADMT4000 este poziționat în fața unui magnet bipolar montat pe arborele rotativ, așa cum este ilustrat în figura 3.

Figura 6: Aplicații de tracțiune prin cablu cu codificatoare. (© ADI)

ADI pregătește un proiect de referință care va permite utilizatorilor cu foarte putine abilități în proiectarea magnetică să utilizeze cu ușurință dispozitivul ADMT4000 în aplicațiile lor. În plus față de proiectarea magnetică de bază, acest proiect de referință va oferi, de asemenea, imunitate și robustețe la câmpurile magnetice dispersate, ceea ce va permite clienților să implementeze senzorul în medii dificile. Câmpurile perturbatoare pot fi generate din multe surse atunci când curentul electric circulă printr-un conductor, în special atunci când este utilizat în imediata apropiere a motoarelor electrice sau a actuatoarelor.

Capabilitățile oferite de ADMT4000 sunt valoroase în multe aplicații industriale, inclusiv urmărirea poziției articulațiilor brațului robotului și cobotului în cazul unei pene de curent sau în timpul opririi alimentării (a se vedea figura 4). Alte aplicații industriale includ localizarea absolută și starea corectă la pornirea alimentării (TPO) pentru mesele X-Y (n.red.: cunoscute și sub denumirea de glisoare transversale) utilizate în automatizări industriale, mașinile-unelte sau aplicațiile pentru echipamente medicale (prezentate în figura 5). Alte aplicații rotative până la liniare includ, fără a se limita la acestea, numărarea turelor pentru bobinaj, tamburi, role, trolii, palane, vinciuri și elevatoare (figura 6) atunci când sunt alimentate cu energie sau urmărirea mișcărilor în caz de întrerupere a alimentării sau în timpul unei pene de curent.

Figura 7: O aplicație de direcție electrică prin cablu. (© ADI)

În plus, detectarea poziției TPO oferită de ADMT4000 are o valoare importantă pentru aplicațiile din domeniul auto, inclusiv, la motoare de transmisie (figura 5), servodirecție electrică (EPS), precum și direcție electrică prin cablu (figura 7), actuatoare de blocare pentru parcare, alte actuatoare de uz general și retractoare de centuri de siguranță (figura 8), fără a se limita la acestea.

Dimensiunea, costul și gama de temperaturi de operare a dispozitivului ADMT4000 permit utilizarea acestuia într-o gamă largă de aplicații, inclusiv aplicații critice din punct de vedere al siguranței în domeniul auto și industrial. Aplicațiile critice pentru siguranța automobilelor sunt conforme cu standardul ISO 26262 și cu un anumit nivel de integritate a siguranței automobilelor (ASIL). ADMT4000 va fi furnizat fie ca ASIL-QM, fie ca ASIL-B(D) pentru a se potrivi aplicațiilor care au sau nu nevoie de funcționalitatea avansată ASIL sau SIL.

Concluzie

ADMT4000 și primul senzor de poziție integrat TPO multitură vor reduce considerabil complexitatea și efortul de proiectare a sistemului, ceea ce va duce în cele din urmă la soluții mai mici, mai ușoare și mai puțin costisitoare. Ușurința de utilizare a ADMT4000 va permite proiectanților, cu sau fără experiență în proiectarea magnetică, să adauge funcționalități noi și îmbunătățite la aplicațiile actuale și să deschidă calea către multe aplicații noi.

Pentru a afla mai multe despre ADMT4000 și despre proiectul de referință magnetic, vă rugăm să contactați echipa locală de vânzări ADI, care va fi încântată să discute despre cerințele și aplicațiile voastre sau să vizitați analog.com/magnetics.

Despre autori

Stephen Bradshaw este licențiat în inginerie electrică la Universitatea din Leeds, precum și absolvent al unui masterat și al unui doctorat în optoelectronică la Universitatea din Glasgow. În prima parte a carierei sale, Stephen a fost responsabil de proiectarea și caracterizarea lentilelor utilizate în prima generație de camere pentru telefoane mobile la STMicroelectronics, înainte de a lucra la transmițătoarele optice Gbps în cadrul Maroni și la majoritatea transmițătoarelor optice la Nanotech Semiconductor. Stephen este la ADI de peste 10 ani în calitate de inginer de aplicații, susținând atât liniile de produse de monitorizare a bateriilor LiFe și Pb-Acid, cât și senzorii magnetici de poziție.

Christian Nau este manager de marketing de produs la Analog Devices și are experiență în domeniul electronicelor și senzorilor pentru automobile. S-a alăturat ADI în 2015 ca inginer de aplicații și expert în domeniul senzorilor magnetici pentru regiunea EMEA. Din 2019, Christian lucrează în cadrul Grupului de tehnologie a senzorilor magnetici de la ADI, susținând angajamentele clienților privind produsele existente și lucrând la direcția viitoare a grupului care acoperă mai multe piețe.

Enda Nicholl este manager de marketing strategic pentru senzori magnetici la Analog Devices, cu sediul în Limerick, Irlanda. Enda a fost inginer mecanic și s-a alăturat ADI în 2006. Are aproape 30 de ani de experiență în domeniul senzorilor și al produselor de interfață pentru senzori într-o gamă largă de aplicații și piețe, inclusiv în domeniul auto și industrial. De-a lungul carierei sale, Enda a lucrat în domeniul aplicațiilor de produs, al aplicațiilor de teren și al vânzărilor, precum și în dezvoltarea strategică a afacerilor și în marketing.

N.red.: Anizotropia = dependența unor mărimi mecanice, electrice, optice etc., numite constante de material, de direcția de-a lungul căreia este exercitată acțiunea exterioară.

Vizitați https://ez.analog.com