Senzorii de poziție inductivi rezolvă noua problemă a câmpurilor magnetice parazite
O soluție din ce în ce mai populară pentru a reduce riscul, costul și dimensiunea în aplicațiile afectate de EMI este dată de senzorii de poziție inductivi. Acești senzori nu sunt magnetici și nici nu trebuie să utilizeze magneți sau metale magnetice, ci sunt, după cum sugerează și numele, o soluție bazată pe inductoare. Prin proiectarea corpului senzorului, care este o placă subțire de circuit imprimat cu o înfășurare de trasee metalice încorporate, se obține respingerea pasivă a EMI.
Designul curat și eficient al vehiculelor hibride și electrice, oferit de un număr tot mai mare de furnizori, atrage atenția multor actori din industrie, deoarece aceste soluții contribuie activ la tranziția către mobilitatea durabilă, prin electrificarea sistemelor de propulsie. Totuși, odată cu introducerea unei game variate de motoare electrice și baterii, o problemă veche revine în prim-planul lumii electronice: câmpurile magnetice parazite.
Această interferență electromagnetică (EMI) afectează grav soluțiile actuale de senzori de poziție, care fie nu au o imunitate nativă – cum este cazul senzorilor cu efect Hall – fie pot oferi imunitate, dar implică costuri ridicate de implementare, cum este cazul rezolverelor magnetice sau al transformatoarelor diferențiale liniare variabile (LVDT). Astfel, apare senzorul inductiv de poziție, care oferă o detecție precisă a poziției, chiar și în medii puternic afectate de câmpuri magnetice parazite.
Câmpuri magnetice parazite
Câmpurile magnetice nu reprezintă un fenomen necunoscut și nici un element nou descoperit în domeniul semiconductorilor și al electronicii. Ele fac parte din funcționarea intrinsecă a semiconductorilor și sunt luate în considerare încă din faza de proiectare a fiecărui cip. Cu toate acestea, atunci când motoarele de curent continuu fără perii (BLDC), motoarele sincrone cu magnet permanent (PMSM), curenții care circulă prin motoare sau curenții mari din baterii se află în proximitatea modulelor electronice și a senzorilor, câmpurile magnetice parazite provoacă interferențe și chiar pot induce defecțiuni în aplicații critice din punct de vedere al siguranței.
Motoarele BLDC și PMSM sunt printre cele mai utilizate motoare de acționare utilizate în vehiculele electrice și hibride cu două și patru roți. Ambele motoare utilizează magneți foarte puternici pe rotor și intră în funcțiune atunci când curenții care provin de la controlerul motorului sunt aplicați la stator pentru a activa electromagneții. Atât magneții, cât și curenții care circulă prin motor generează emisii electromagnetice în jurul lor.
Motoarele BLDC sunt prezente în multe zone ale unui vehicul, inclusiv în cele destinate frânării și direcției. În proiectarea tuturor vehiculelor electrice, bateriile sunt, de asemenea, esențiale și contribuie, la rândul lor, la prezența câmpurilor magnetice parazite; mai precis, sursa interferențelor electromagnetice este curentul electric care circulă atunci când curenții mari încarcă bateriile sau alimentează vehiculul. Există vehicule care utilizează mii de celule de baterii pentru a alimenta sistemul, ceea ce le transformă într-o sursă majoră de câmpuri magnetice parazite, generând numeroase probleme pentru soluțiile tradiționale cu senzori.
Detecția poziției
Detecția poziției reprezintă un element esențial în proiectarea multor echipamente electronice, inclusiv în diverse aplicații din domeniul auto, cum ar fi pedalele, controlul accelerației, poziționarea frânei, monitorizarea transmisiei, butoanele de infotainment, mecanismele de schimbare a treptelor de viteză, senzorii de direcție și altele. În trecut, principalele metode de detecție a poziției vizau rezolverele magnetice, transformatoarele diferențiale liniare variabile (LVDT) și senzorii cu efect Hall. Senzorii cu efect Hall reprezintă una dintre cele mai răspândite soluții implementate. Aceștia sunt proiectați pentru a determina intensitatea și direcția unui câmp magnetic, ceea ce permite identificarea poziției unui magnet sau electromagnet plasat în apropierea senzorului.
Partea de detecție a dispozitivului este o bucată subțire de siliciu care, atunci când este expusă la un câmp magnetic, împinge electronii și golurile către marginile opuse ale siliciului. Acest fenomen generează un potențial electric foarte mic, cunoscut sub denumirea de efect Hall și necesită câmpuri magnetice puternice pentru a crea un mediu propice detecției. Atunci când se adaugă interferențele electromagnetice în ecuație, senzorii cu efect Hall se confruntă cu pericolul unei detecții magnetice distorsionate, premature sau false și pot risca deteriorări permanente. Pentru a reduce riscul de defectare cauzat de EMI, se utilizează metale cu absorbție magnetică pentru a proteja senzorul de câmpurile magnetice parazite, fapt care crește dimensiunea și costul soluțiilor.
Atunci când o bucată de metal conductiv, numită țintă, trece peste senzor, câmpurile magnetice emise de bobina primară de pe PCB (similar cu primarul unui transformator) sunt întrerupte, iar câmpul magnetic scade la zero acolo unde se află ținta. De asemenea, în PCB sunt încorporate două bobine de recepție (secundarul transformatorului) utilizate pentru a detecta diferitele tensiuni cauzate de perturbarea câmpului magnetic. Informațiile rezultate sunt prelucrate la nivelul circuitului integrat pentru a returna sistemului valoarea de ieșire bazată pe poziție. Metodele cheie de respingere a câmpurilor magnetice parazite care, în mod normal, ar interfera cu sistemul sunt integrate în proiectarea acestor dispozitive.
Filtrarea activă și pasivă a zgomotului
Filtrarea activă și pasivă a zgomotului se numără printre cele mai importante funcții implementate prin proiectare în mulți senzori de poziție inductivi. Rejecția activă a câmpurilor magnetice parazite este realizată prin binecunoscutele tehnici de demodulare sincronă și filtrare pe lățime de bandă. Combinarea acestor metode permite măsurarea semnalelor relevante, ignorând, în același timp, zgomotul perturbator din mediul înconjurător.
Emițătorul și receptorul fac parte din același sistem, astfel încât se poate calcula faza dintre cele două semnale și se poate respinge activ zgomotul magnetic. Filtrarea pasivă este posibilă datorită utilizării bobinelor de detecție a tensiunii. Perturbările cauzate de obiectele metalice sunt evaluate prin compararea componentelor sinusoidale și cosinusoidale ale semnalului, ceea ce permite determinarea cu precizie a poziției atunci când obiectul se află în zona optimă de detecție.
Metalele situate în afara intervalului ideal al întrefierului nu sunt detectate, deoarece algoritmul de procesare identifică doar acele semnale care corespund criteriilor metrice stabilite pe baza semnalelor recepționate de bobine. Aplicarea acestor metode de respingere a zgomotului asigură o detecție a poziției de înaltă precizie, imună la câmpurile magnetice parazite, eliminând totodată necesitatea utilizării magneților grei și costisitori sau a ecranării EMI.
Experimente bazate pe senzori de poziție inductivi
Pentru a susține afirmațiile privind remarcabila imunitate EMI, echipa de la Microchip Technology a adunat dovezi experimentale folosind senzori de poziție inductivi, supuși unor câmpuri magnetice induse în proximitatea senzorului.
Într-unul dintre experimente, un magnet din neodim a fost poziționat la aproximativ 15 mm deasupra corpului senzorului liniar PCB, utilizând o structură acrilică, astfel încât ținta să poată trece liber pe sub magnet, iar magnetul să poată fi deplasat – fie static, fie dinamic – de-a lungul corpului senzorului. De asemenea, a fost montată o sondă gaussmetrică de-a lungul senzorului, pentru a măsura intensitatea câmpului magnetic generat de magnet.
Deși sonda a detectat un câmp magnetic de 7,2 mT (5716,9 A/m), acesta nu a avut nicio influență asupra preciziei detecției poziției țintei în timpul deplasării acesteia de-a lungul PCB-ului.
Alte teste, realizate conform standardului auto ISO11452-8, demonstrează că nivelurile de imunitate ale acestor codificatoare îndeplinesc clasa IV și chiar o depășesc, atingând o imunitate la câmpuri magnetice conductibile de 7000 A/m (8,8 mT) la 10 Hz.
Tehnologia codificatoarelor inductive funcționează constant, fără interferențe, în ciuda câmpurilor magnetice ce pătrund în senzor. Acuratețea și precizia detecției țintei nu sunt afectate sau distorsionate, datorită demodulării sincrone și frecvenței de operare a designului circuitului integrat.
Concluzii
Întrucât cerințele moderne de proiectare necesită un factor de formă tot mai mic, menținând sau îmbunătățind în același timp performanțele, senzorul de poziție inductiv constituie un upgrade excelent pentru soluțiile magnetice învechite. Același circuit integrat poate susține proiecte de detecție a poziției liniare și rotative utilizând un corp de senzor PCB simplu și o țintă metalică mică. Această soluție este imună la câmpurile magnetice parazite, menținând în același timp o precizie foarte ridicată, fiind capabilă să ofere fiabilitate ridicată (AEC Q100 gradul 0) și siguranță (ASIL D). Microchip continuă să promoveze senzorii de poziție inductivi, portofoliul său fiind cel mai cuprinzător din industrie; acesta acoperă o gamă largă de aplicații de detecție de mică și mare viteză, inclusiv controlul motoarelor. Senzorii de la Microchip se potrivesc perfect pentru proiectele bazate pe senzori de poziție de precizie, inclusiv cele în care există un nivel ridicat al interferențelor magnetice.
Resurse de proiectare: Senzori de poziție inductivi Microchip
Autor: Dustin Tenney, Senior Product Marketing Engineer
Microchip Technology | https://www.microchip.com
