Un nou standard în detecția inductivă a poziției: instrumentul Renesas pentru proiectarea bobinelor

Un nou standard în detecția inductivă a poziției: instrumentul Renesas pentru proiectarea bobinelor

În contextul dinamic al tehnologiilor de detecție a poziției, senzorii inductivi s-au impus ca o alternativă robustă, precisă și rentabilă la metodele magnetice și optice tradiționale. Spre deosebire de senzorii magnetici, care se bazează pe magneți permanenți, sau de codificatoarele optice, care necesită medii curate și o aliniere precisă, senzorii inductivi funcționează pe principiul cuplării electromagnetice dintre bobine și ținte metalice. Această abordare fără magneți oferă imunitate la câmpuri parazite, o toleranță ridicată la erori de aliniere și o durabilitate excelentă în medii dure, fiind ideală atât pentru aplicații auto, cât și industriale.

Renesas Electronics, lider global în soluții semiconductoare, se află în prima linie a acestei transformări tehnologice. Cea mai recentă inovație a companiei, Renesas Position Sensor Coil Optimizer, schimbă regulile jocului pentru inginerii care doresc să proiecteze, să simuleze și să optimizeze elemente de detecție inductivă, oferind un nivel de precizie și ușurință în utilizare fără precedent.

Cum funcționează detecția inductivă a poziției

Detecția inductivă a poziției funcționează prin generarea unui câmp magnetic alternativ cu ajutorul bobinelor emițătoare și prin detectarea tensiunilor induse în bobinele receptoare, pe măsură ce o țintă conductivă se deplasează deasupra acestora. Tiparul semnalelor induse corespunde poziției țintei. Pentru aplicațiile de înaltă precizie, în special cele care necesită feedback absolut al poziției și o rezoluție fină, este esențial un sistem cu bobină dublă de recepție.

Figura 1: Element de detecție cu bobină dublă. (Sursa imaginii: Renesas)

Această configurație permite utilizarea unor tehnici precum interpolarea Vernier, în care două bobine de recepție cu geometrii ușor diferite generează semnale suprapuse, care pot fi combinate matematic pentru a obține o rezoluție unghiulară sau liniară ultrafină. Configurația cu bobină dublă nu doar că îmbunătățește precizia, ci permite și detectarea absolută a poziției, fără a fi necesare rutine de referință.

De ce tehnologia inductivă depășește alternativele magnetice și optice

Senzorii de poziție inductivi oferă o serie de avantaje convingătoare:

• Imunitate la câmpuri parazite: Spre deosebire de senzorii magnetici, senzorii inductivi sunt inerent imuni la interferențele magnetice externe, asigurând performanțe stabile chiar și în medii cu zgomot electromagnetic.
• Fără cerințe stricte de montaj: Senzorii optici necesită adesea o aliniere precisă și condiții de funcționare curate. Senzorii inductivi, în schimb, tolerează erori de aliniere mecanică și contaminarea, reducând complexitatea procesului de fabricație.
• Eficiență din punct de vedere al costurilor: Senzorii inductivi elimină necesitatea utilizării magneților și a componentelor optice costisitoare, reducând lista de materiale (BOM), fără a compromite performanța.
• Durabilitate ridicată: Fără piese mobile și cu un design robust al bobinelor realizate pe PCB, senzorii inductivi excelează în medii caracterizate de vibrații, praf, umiditate și temperaturi extreme.

Aceste caracteristici fac tehnologia inductivă deosebit de atractivă pentru aplicații în care fiabilitatea, precizia și costul sunt factori critici.

Aplicații în domeniul auto și industrial

Senzorii de poziție inductivi de la Renesas Electronics sunt deja utilizați într-o gamă largă de aplicații:

• Auto: De la sisteme de direcție electronică până la comutația motoarelor electrice și înlocuirea rezolverelor, senzorii inductivi oferă feedback de mare viteză și precizie, în conformitate cu standardul ISO 26262 pentru siguranța funcțională.
• Industrial: În robotică, automatizare și echipamente industriale, senzorii inductivi furnizează măsurători unghiulare și liniare precise, permițând controlul în buclă închisă și implementarea strategiilor de întreținere predictivă.

Deși aplicațiile din domeniul auto beneficiază de robustețe și cerințe stricte de siguranță, tehnologia inductivă își demonstrează pe deplin avantajele în mediile industriale, în special în robotică și în mașini de precizie.

Precizie industrială: satisfacerea cerințelor de precizie și rezoluție ridicate

Aplicațiile industriale necesită adesea măsurători ultra-precise, în special în robotică, mașini CNC și echipamente pentru industria semiconductorilor. Cel mai recent circuit integrat inductiv de la Renesas Electronics, RAA2P3226, a fost proiectat pentru a respecta cerințe stricte de precizie și performanță.

Acest senzor inductiv cu bobină dublă acceptă configurații precum modul Vernier, care combină două sisteme de bobine cu un număr ușor diferit de perechi de poli (N și N–1). Această abordare permite:

• Detectarea poziției absolute: Principiul Vernier permite senzorului să determine poziția pe mai multe perioade, eliminând necesitatea utilizării rutinelor de referință (homing).
• Rezoluție și precizie ridicate: RAA2P3226 atinge o rezoluție de până la 19 biți și o precizie de 15 biți, fiind potrivit pentru aplicații care necesită o precizie sub un grad.

Această capabilitate bazată pe bobină dublă are un impact semnificativ în robotica industrială, unde pot fi realizate măsurători unghiulare cu o precizie de până la 0,01°.

Elementul de detecție: o componentă esențială în proiectarea inductivă

În centrul fiecărui senzor de poziție inductiv se află elementul de detecție – un ansamblu de bobine emițătoare și receptoare realizate pe PCB. Geometria, spațierea și dispunerea bobinelor influențează direct performanța senzorului.

Proiectarea acestui element reprezintă o sarcină complexă, care impune luarea în considerare a mai multor factori critici, printre care:

• Geometria bobinelor: forma și dimensiunile acestora influențează inductanța, amplitudinea semnalului și rezoluția.
• Deplasarea mecanică: senzorul trebuie să mențină precizia pe întreaga cursă de mișcare.
• Optimizarea performanței: factori precum întrefierul, proprietățile materialelor și condițiile de mediu trebuie evaluați cu atenție.

Până recent, acest proces presupunea simulări extinse, reglaje manuale și prototipări iterative.

Faceți cunoștință cu instrumentul Coil Design de la Renesas: excelență prin automatizare în proiectarea inductivă

Noul instrument Inductive Coil Design Tool (ICDT) de la Renesas Electronics schimbă fundamental modul în care este realizată proiectarea elementelor inductive. Construit pe o arhitectură flexibilă, bazată pe modele, instrumentul permite utilizatorilor să:

• Proiecteze: să aleagă între șabloane de mișcare rotativă, arcuită sau liniară și să configureze soluții cu bobină simplă, dublă sau redundantă.
• Simuleze: să ruleze simulări în timp real, cu vizualizări 3D, estimări ale inductanței și predicții ale tensiunilor de semnal, utilizând modele bazate pe învățare automată.
• Optimizeze: să genereze automat layout-uri de bobine optimizate din punct de vedere al performanței, inclusiv fișiere Gerber destinate fabricării PCB-urilor.

Instrumentul acceptă mai multe tipuri de configurații, printre care:

• Bobină simplă: soluție simplă și eficientă din punct de vedere al costurilor, destinată aplicațiilor de detecție de bază.
• Bobină dublă: permite detecția absolută a poziției și obținerea unei rezoluții ridicate.
• Bobină redundantă: suportă sisteme izolate galvanic, utilizate în aplicații critice din punct de vedere al siguranței.

Figura 2: Robotica – următoarea etapă majoră în evoluția tehnologică. (Sursa imaginii: Renesas)

Fiecare utilizator beneficiază de un spațiu de lucru dedicat prin platforma MyRenesas, care permite urmărirea simulărilor, revizuirea rezultatelor și descărcarea fișierelor generate, într-un mod simplu și eficient.

Impactul asupra roboticii: stabilirea unui nou standard

În robotică, precizia este esențială. Fie că este vorba despre feedback-ul unghiului articulațiilor, comutația motoarelor electrice sau poziționarea efectorului final, chiar și cele mai mici inexactități pot conduce la degradarea performanței sau la apariția unor riscuri de siguranță.

Cu senzorii inductivi cu bobină dublă și tehnologia Inductive Coil Design Tool (ICDT) de la Renesas Electronics, inginerii pot obține:

• Măsurători unghiulare ultra-precise: precizie de până la 0,01°, care permite un control extrem de fin al brațelor robotizate și al sistemelor autonome.
• Integrare compactă: bobinele realizate pe PCB permit proiectarea unor soluții integrate și subțiri, adecvate pentru spații mecanice restrânse.
• Funcționare robustă: imunitatea la praf, umiditate și vibrații asigură performanțe fiabile în medii industriale solicitante.

Această combinație stabilește un nou standard în detecția inductivă a poziției, permițând inginerilor din domeniul roboticii să depășească limitele actuale ale automatizării.

Renesas depășește limitele în detecția inductivă a poziției

Figura 3: Instrumentul de optimizare a bobinelor pentru senzorii inductivi de poziție Renesas. (Sursa imaginii: Renesas)

Noul instrument de proiectare a bobinelor de la Renesas Electronics marchează o etapă importantă în evoluția detecției inductive a poziției. Prin automatizarea proceselor de proiectare, simulare și optimizare a elementelor de detecție, acesta reduce semnificativ barierele de adopție și accelerează inovarea în aplicațiile industriale și auto.

Fie că este vorba despre proiectarea unei articulații robotice, a unui actuator industrial sau a unui sistem auto critic din punct de vedere al siguranței, Renesas oferă nivelul necesar de precizie, flexibilitate și fiabilitate pentru a răspunde cerințelor actuale ale pieței.

Pe măsură ce industriile solicită sisteme tot mai inteligente, mai sigure și mai eficiente, instrumente precum Renesas Position Sensor Coil Optimizer vor juca un rol esențial în modelarea viitorului tehnologiilor de detecție a poziției.

Următorul glosar oferă definiții concise ale termenilor tehnici utilizați în articol și este destinat ca material de referință pentru cititori.

Termeni privind detecția inductivă a poziției

• Detecție inductivă a poziției – Tehnologie de măsurare a poziției care se bazează pe cuplarea electromagnetică dintre bobine și o țintă metalică, fără utilizarea magneților sau a componentelor optice.
• Senzor inductiv de poziție – Dispozitiv care determină poziția unghiulară sau liniară prin analizarea variațiilor tensiunilor induse în bobinele receptoare, ca urmare a mișcării unei ținte conductive.
• Poziție absolută – Determinarea poziției fără a fi necesară o procedură inițială de referință (homing), poziția fiind cunoscută imediat la pornirea sistemului.
• Rutine de referință (homing) – Proceduri inițiale prin care un sistem mecanic se deplasează către o poziție cunoscută pentru calibrare, necesare în cazul senzorilor incrementali.
• Întrefier – Distanța controlată dintre elementul de detecție inductiv și ținta metalică, cu influență directă asupra preciziei și stabilității măsurătorii.

Termeni privind bobinele și arhitectura senzorilor

• Bobină emițătoare / bobină receptoare – Bobine utilizate în sistemele inductive, unde bobina emițătoare generează câmpul magnetic alternativ, iar bobinele receptoare detectează semnalele induse.
• Bobină dublă – Configurație de detecție care utilizează două bobine de recepție cu geometrii diferite, pentru obținerea unei rezoluții și precizii superioare, precum și pentru detecția absolută a poziției.
• Interpolare Vernier – Tehnică de măsurare care combină semnalele provenite de la două sisteme de bobine cu un număr ușor diferit de perioade (N și N–1), permițând obținerea unei rezoluții foarte fine.

Termeni privind proiectarea și implementarea pe PCB

• Layout de bobină – Configurația geometrică a traseelor de cupru ale bobinelor pe PCB, care determină performanțele electrice și de detecție ale senzorului.
• Fișiere Gerber – Fișiere standard utilizate în fabricarea plăcilor PCB, generate de instrumentele de proiectare pentru producția fizică a layout-ului.
• ICDT (Inductive Coil Design Tool) – Instrument software dezvoltat de Renesas Electronics pentru proiectarea, simularea și optimizarea bobinelor utilizate în senzorii inductivi de poziție.

Termeni privind aplicațiile și sistemele asociate

• Rezolver – Senzor electromecanic utilizat tradițional pentru detecția poziției unghiulare, înlocuit în multe aplicații moderne de senzorii inductivi.
• Comutația motoarelor electrice – Procesul de control al alimentării fazelor unui motor electric în funcție de poziția rotorului, pentru obținerea unui cuplu optim și a unei funcționări eficiente.
• Efector final – Componenta terminală a unui robot industrial, care interacționează direct cu piesa sau mediul de lucru (clește, unealtă, cap de prelucrare etc.).