22. oktobra, 2020

11 mitov o induktivnih senzorjih

microchip 300x74 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Dolgo smo jo čakali in zdaj se na široko izvaja: umetna inteligenca (AI). Vse od avtomatskih tovarn, samovozečih avtomobilov do tovornjakov smo zdaj priča spremembam, ko bo umetna inteligenca naredila avtomatske stroje bolj učinkovite, donosne in na splošno izboljšala naše življenje. V središču teh avtomatskih naprav in avtomobilov pa je njihova sposobnost natančnega merjenja položaja in gibanja.

 

Obstaja veliko načinov za merjenje položaja, vendar moramo omeniti eno izmed hitro rastočih tehnologij: induktivni senzor položaja. Natančnost, odpornost proti motnjam in stroškovna učinkovitost so le nekatere od prednosti te tehnologije. V nadaljevanju so opisane nekatere napačne predstave o induktivnih senzorjih skupaj s primerjavo z drugimi senzorskimi tehnologijami, kot so Hallovi senzorji in magneto-uporovni senzorji.

 Mit številka 1: Induktivni senzorji za merjenje položaja uporabljajo induktivnost

Ta naziv nas lahko zmede, resnica pa je, da induktivni senzorji ne merijo induktivnosti. Namesto tega uporabljajo elektromagnetno indukcijo magnetnega polja v kovinski tarči skupaj z dobro znanimi lastnostmi transformatorja zračnega jedra in Faradayevim zakonom, da natančno locirajo motnje v tem magnetnem polju, ki ga povzroča tarča. Za mnoge od nas, ki smo že davno pozabili vse, kar smo se naučili o teoriji elektromagnetnega polja v šolah, se to morda sliši zapleteno, a preprosto rečeno, induktivni senzorji merijo motnje magnetnega polja, ki jih povzroči prevodna tarča.

MCA816 1 300x179 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 1: Primer induktivnega senzorja

Poleg tega tega moramo omeniti, da magnetnega polja ne ustvarja stalni magnet – ki je potreben pri Hallovih senzorjih in magneto-uporovnih senzorjih – namesto tega ga ustvari primarno navitje transformatorja. Za zaznavanje tega magnetnega polja se uporabljata dve sekundarni tuljavi, tako kot transformator, uporabljamo Faradayev zakon za pretvorbo tega polja v napetost. Kovinska tarča, nameščena v to magnetno polje, bo povzročila vrtinčne tokove, ki nasprotujejo magnetnemu polju, in na tarči zmanjšala jakost magnetnega polja na nič. Z namestitvijo na različna fizična mesta bosta sprejemni tuljavi zaznali različno napetost. Položaj tarče lahko izračunamo s preprostim izračunom razmerja med napetostjo na teh dveh sprejemnih tuljavah.

Mit številka 2: Induktivni senzorji položaja niso natančni

Ta mit lahko zelo enostavno zavržemo, ker so induktivni senzorji zelo natančni, s čimer se odlikujejo tudi pri višjih temperaturah, kjer imajo drugi sistemi na osnovi magnetov velike težave za nenatančnost induktivnih senzorjev, saj niso odvisni od nelinearne narave trajnega magneta. Namesto tega samo iščejo motnje magnetnega polja, ki ga sami ustvarjajo. Posledično lahko pri sobni temperaturi dosežemo napake pod +/- 0,1 odstotka v celotnem merilnem območju. Napake pod +/- 0,3 odstotka so dosegljive v celotnem temperaturnem območju delovanja in z nihanji zračne reže med tarčo in senzorjem. Poleg tega je celoten algoritem zasnovan tako, da bodisi odpravi temperaturne razlike bodisi minimizira njihov učinek. Induktivni senzor na primer ustvari magnetno polje s frekvenco med 1 in 6 MHz z uporabo LC oscilatorja. Obe količini se s

MCA816 2 300x178 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 2: Primer sinhronega demodulatorja

temperaturo lahko spreminjata, vendar to ne vpliva na položaj. Razlog je v tem, da sekundarna sprejemna kanala uporabljata sinhrono demodulacijo, ki je funkcija primarnega oscilatorja. Ta premik ne bo vplival na amplitudo sprejetih signalov. Razen temperature imajo lahko tudi razni kovinski predmeti v bližini senzorja vpliv na magnetno polje, zato je potrebna določena raven kalibracije, vendar se kalibracija ne spreminja s temperaturo. Microchipov LX3302A na primer uporablja osem umeritvenih segmentov, 13-bitni analogno-digitalni pretvorniki (ADC) in 32-bitni procesorji prav tako pomagajo odpraviti morebitne napake pri izračunu in kvantizaciji, ki na koncu zagotavljajo 12 bitov izhodne ločljivosti v merilnem območju.

Mit številka 3: Induktivni senzorji so dragi

Ni ravno pogosto, da bi z nekim izdelkom dobili najboljše iz obeh svetov – visoko zmogljivost ob razumni ceni – vendar so tudi induktivni senzorji med njimi. Medtem, ko Hallovi in magneto-uporovni senzorji zahtevajo izdelavo trajnega magneta z ustrezno toleranco in trdnostjo, da dosežejo primerno natančnost, induktivni senzorji kot tarčo potrebujejo le kos kovine, kar uporabniku prihrani ceno magneta. Čeprav bo tiskano vezje za medsebojne povezave senzorja moralo biti večje, to običajno stane bistveno manj kot znaša cena magneta. In če imate dodaten prostor na vašem tiskanem vezju, je ta del lahko brezplačen. Tako lahko zaključimo z ugotovitvijo, da je induktivni senzor stroškovno ugodnejša rešitev kot Hallove sonde in magneto-uporovne rešitve, saj zagotavlja zaznavanje magnetnega polja brez magneta.

Mit številka 4: Induktivni senzorji so občutljivi na zunanja magnetna polja

Današnji avtomatski stroji ustvarjajo več stresanih magnetnih polj kot kdaj koli prej, kar povzroča težave pri uporabi Hallovih senzorjev in senzorjev magnetnih receptorjev. Induktivni senzorji pa uporabljajo aktivno demodulacijo, s čimer izločijo vpliv teh stresanih magnetnih polj.

MCA816 3 300x178 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 3: Motor in velik tok  ustvarjata močna stresana magnetna polja

Pri električnih avtomobilih naslednje generacije lahko od akumulatorjev do pogonskega motorja teče tudi nekaj sto Amperov toka. Poleg tega ima večina avtomobilov več kot tri brezkrtačne enosmerne (BLDC) motorje za premikanje avtomobila, elektronski servo volan in motor za pomoč pri zaviranju. Vsi ti sistemi ustvarjajo stresana magnetna polja. Zaradi hitrega naraščanja teh stresanih magnetnih polj novejše specifikacije zahtevajo več preskusov imunosti pri višjih magnetnih poljih. V avtomobilski industriji je avtomobilska elektronika med kvalifikacijo EMC zdaj izpostavljena enosmernemu magnetnem toku 4 mT in napačni odčitki na katerem koli varnostno kritičnem senzorju – servo volan, stopalka za plin, položaj vlečnega rotorja – ne morejo nastati. Velika prednost induktivnega senzorja je, da je odporen na te motnje, ker na selektiven način filtrira samo frekvenco, ki jo mora zaznati. Ker induktivni senzorji položaja ne uporabljajo magnetnega materiala, ne zajemajo nobenega enosmernega magnetnega polja. Z drugimi besedami, velja Faradayev zakon za statično magnetno polje, ki je enako nič. Poleg tega bo zgoraj opisani sinhroni demodulator filtriral druge frekvence nad in pod primarno frekvenco vzbujanja, podobno kot lahko izberete eno AM radijsko postajo, ko antena prevzame celoten AM pas. Ta vrsta izločanja motenj s Hallovimi sondami in magneto-uporovnimi senzorji ni mogoča.

Mit številka 5: Induktivno zaznavanje je nova tehnologija

MCA816 4 300x184 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 4: LVDT, ločevalnik (resolver) in induktivni senzor

Induktivni senzorji položaja uporabljajo tiskano vezje kot senzor, kos kovine pa kot tarčo. Čeprav to lahko imenujemo kot nov način zaznavanja, je ta tehnologija že dobro uveljavljena. Linearni napetostni diferenčni transformator (LVDT) je zelo blizu induktivnemu zaznavanju položaja. LVDT bo za zaznavanje uporabil primarno tuljavo in dve pomožni tuljavi za določanje položaja kovinske gredi v robotskih aplikacijah. Induktivni senzorji položaja uporabljajo skoraj enake tehnike, poleg tega pa so navitja tuljavic omejena le na tiskano vezje. Magnetni ločevalniki, resolverji, rotacijska različica LVDT, prav tako uporabljajo podobne tehnike. Če ponovimo še enkrat, induktivni senzorji položaja z uporabo povezav na tiskanem vezju dosežejo enako funkcijo, kot jo dosežemo s transformatorsko kovinsko konstrukcijo. Da zaznajo trenutni položaj, LVDT, resolucijski in induktivni senzorji vzamejo razmerje med dvema napetostima, ki jih povzroča motnja magnetnega polja s prevodnim materialom.

Mit številka 6: Redundantni induktivni senzorji porabijo dvakrat več prostora

MCA816 5 300x185 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 5: Redundančni senzorji

Kritične avtomobilske in industrijske aplikacije pogosto potrebujejo redundanco, da zagotovijo najvišjo raven varnosti. Z optimizacijo plasti tiskanega vezja in nekaterimi inteligentnimi tehnikami navijanja primarnega navitja dvojni senzor ne zahteva dvakrat več prostora na tiskanem vezju. Namesto tega sta lahko oba senzorja nameščena na istem prostoru. V tem primeru si delita isto magnetno polje, sta tesno povezana prek magnetnega polja, vendar sta še vedno lahko galvansko ločena. Sekundarna navitja lahko povežemo na dve integrirani vezji, ki bosta nato dali na izhodu neodvisno informacijo in redundantni položaj, kar bo izboljšalo varnost aplikacije.

Mit # 7: Induktivni senzorji lahko izvajajo le majhne linearne meritve

Induktivni senzorji lahko merijo linearne položaje na različnih dolžinah. Najboljšo natančnost dosežemo, ko je dolžina senzorja blizu približnega želenega merilnega območja, tako da je izhodno ločljivost mogoče prilagoditi na najkrajšo razdaljo. Dolžina tega senzorja je lahko za praktično uporabo od pet mm do 600 mm in več. Kakršne koli dolžinske omejitve so povezane le s sposobnostjo oscilatorja, da lahko ustvari pravi LC resonančni signal. V vseh primerih je načelo delovanja enako: ustvari se magnetno polje in zazna motnja. Linearne meritve so nedvomna prednost te tehnologije, občutljivost pa je mogoče doseči z enim samim merilnim principom v številnih praktičnih merilnih območjih. Po drugi strani pa uporaba na primer Hallovega senzorja zahteva, da se več Hallovih senzorjev multipleksira, ko se magnet premika z ene lokacije na drugo. Upravljanje s preklapljanjem tega multipleksiranja je zapleteno in tudi nanj lahko vpliva temperatura. Pri induktivnih senzorjih ni teh težav, zato jih je mogoče izdelati in uporabiti za linearne meritve, ki ustrezajo zahtevam aplikacije.

Mit številka 8: Induktivni senzorji položaja lahko merijo samo linearne meritve

Medtem ko so linearne meritve nedvomna prednost te tehnike, lahko induktivni senzorji merijo tudi ciljne trajektorije rotacije in loke z enakimi prednostmi večje natančnosti in boljše odpornosti na motnje. Pedali za avtomobile, zračni ventili, vodni ventili in položaj rotorja so primeri zaznavanja, kjer lahko uporabimo tehnologijo induktivnega zaznavanja. Predstavljajte si 360-stopinjski rotacijski senzor kot linearni senzor, pri katerem so konci tako ukrivljeni, da se stikajo z drugim. Izkazalo se je, da so rotacijski induktivni senzorji položaja najbolj natančni senzorji, ker je ustvarjeno magnetno polje pri vsakem polmeru lahko zelo enakomerno. S to tehnologijo so torej mogoče linearne, ločne in rotacijske meritve.

Mit številka 9: Ciljni material mora biti magneten

MCA816 6 300x260 - 11 mitov o induktivnih senzorjih

Slika 6: Vrtinčni tokovi, ki se inducirajo v kovinskem materialu

Induktivni senzor položaja zazna spremembo magnetnega polja in to magnetno polje zmoti kovinska tarča, vendar za to ni potreben magnetni material. Vsak material, ki prevaja tok in ki omogoča pretok induciranega vrtinčnega toka, bo povzročil to motnjo. Magnetni materiali, kot je železo, so prevodni, zato jih je mogoče tudi uporabiti, vendar bo ciljna kovina imela boljšo razdaljo zaznavanja in nižji napajalni tok, če je narejena iz materiala, ki bolje prevaja tok, kot so recimo baker, aluminij ali jeklo.

Mit številka 10: Induktivne senzorje položaja je treba programirati preko vhodnih napajalnih priključkov

V avtomobilu je veliko senzorskih aplikacij v modulih, ki so prek sklopov žic povezani s krmilnimi enotami motorja. Pri senzorjih je ta sklop običajno sestavljen iz napajanja, ozemljitve in izhodnega priključka. Kalibracija modula prek napajalnih priključkov zagotavlja, da niso potrebne dodatne povezave s tiskanim vezjem senzorja, kar prihrani stroške in težave pri montaži. Vendar nekatere aplikacije zahtevajo mikrokontroler in tu je za ugnezdene aplikacije bolj primerno, da senzor programiramo z drugim mikrokontrolerjem, ne pa z namenskim testnim sistemom. Microchip-ov LX3302A ima to funkcijo in zmožnost vgrajeno, omogoča pa programiranje preko GPIO priključkov.

Mit številka 11: V svojem razvoju ostajate sami

Pred kratkim je bilo za doseganje dobrih rezultatov potrebno solidno poznavanje magnetnih polj in dostop do vrhunskega simulacijskega sklopa končnih elementov ali na način z veliko poskusi in napakami. Danes ponudniki integriranih vezij to storitev za svoje stranke ponujajo z razvojnimi ploščicami in kompleti, ki vas popeljejo od koncepta do dejanskih simulacij vezi na tiskanem vezju. Nekateri ponudniki bodo pred dejanskim preskušanjem na tiskanem vezju celo ponudili rezultate simulacije, v katerih boste lahko ocenili napako, ki jo boste imeli z načrtovanim senzorjem. Microchip vam nudi to pomoč, tako da se s svojim tiskanim vezjem v kritičnih trenutkih ne boste počutili sami.

Teh 11 mitov prikazuje, kako se lahko induktivni senzorji položaja primerjajo s Hallovimi senzorji in magneto-uporovnimi senzorji, kar ponazarja njihovo natančnost, odpornost na magnetne motnje in stroškovno učinkovitost. Ste pripravljeni preizkusiti to tehnologijo že v naslednjem AI izdelku za zaznavanje položaja?

Microchip Technology Inc
Avtor: dr. Mark Smith, vodja trženja izdelkov, oddelek za mešane signale in linearno tehniko, pri podjetju Microchip Technology
2020_290_
www.microchip.com