Microchip Technology Inc.
Avtor: Dustin Tenney, višji inženir za trženje izdelkov, Microchip Technologies Inc.
Čista in učinkovita zasnova hibridnih in električnih vozil vedno večjega števila dobaviteljev pritegne pozornost mnogih, saj spodbujajo gibanje za trajnostne rešitve z elektrifikacijo motornih vozil.
Z uvedbo različnih elektromotorjev in baterij se v svetu elektronike na visoki ravni kaže stara težava: neželena blodeča magnetna polja.
Te elektromagnetne motnje (EMI) pustošijo po trenutno priljubljenih rešitvah za senzorje položaja, ki nimajo ustrezne odpornosti, kot so Hallovi senzorji, ali pa imajo odpornost, vendar je njihova izvedba draga, kot so magnetni resolverji in linearni diferencialni transformatorji (LVDT). Zato je bil uveden induktivni senzor položaja, ki zagotavlja visoko natančnost zaznavanja položaja kljub temu, se nahaja v okolju, bogatem z blodečimi magnetnimi polji.
Magnetna polja v svetu polprevodnikov in elektronike niso neznan artefakt ali celo na novo odkrit element. So del integralne funkcije polprevodnikov in so upoštevana pri zasnovi vsakega čipa. Kadar pa so enosmerni brezkrtačni motorji (BLDC), sinhronski motorji s trajnimi magneti (PMSM), tokovi motorjev ali veliki tokovi baterij v bližini elektronskih modulov in senzorjev, blodeča magnetna polja povzročajo motnje in lahko celo povzročijo napake v varnostno pomembnih aplikacijah.
BLDC in PMSM motorji so eni najpogostejših pogonskih motorjev, ki se uporabljajo v električnih in hibridnih dvo- in štirikolesnih vozilih.
Obe vrsti motorjev uporabljata zelo močne magnete na rotorju in delujeta, ko iz krmilnika motorja tečejo tokovi na stator, ki aktivirajo elektromagnete. Tako magneti kot tokovi, ki tečejo v motorju, sevajo elektromagnetne motnje v okolico.
Drugi BLDC motorji so prisotni na številnih področjih vozila, vključno z zavornimi in krmilnimi motorji. Pri zasnovi vseh električnih vozil so ključni tudi akumulatorji, ki prispevajo k prisotnosti blodečih magnetnih polj, natančneje, vir EMI je električni tok, ki teče pri polnjenju akumulatorjev ali napajanju vozila z visokimi tokovi.
Nekatera vozila uporabljajo več tisoč baterij, ki pošiljajo tok v sistem, zaradi česar so glavni povzročitelj blodečih magnetnih polj, ki povzročajo težave pri tradicionalnih senzorskih rešitvah.
Zaznavanje položaja je ključni del zasnove številnih elektronskih naprav, vključno s tistimi, ki se uporabljajo v različnih aplikacijah v vozilih, kot so stopalke, upravljanje plina, pozicioniranje zavor, sledenje menjalnika, gumbi za infozabavo, prestavne ročice, senzorji za krmiljenje in drugo.
V preteklosti so se kot glavni elementi zaznavanja položaja uporabljali magnetni rezolverji, linearni diferencialni transformatorji (LVDT) in Hallovi senzorji. Hallovi senzorji so ena od najbolj razširjenih rešitev in so zasnovani tako, da določajo jakost in smer magnetnega polja, s čimer lahko določijo položaj magneta ali elektromagneta, ki je nameščen v bližini senzorja.
Zaznavni del te naprave je tanek kos silicija, ki pod vplivom magnetnega polja potiska elektrone in verzeli na nasprotne robe silicija. To ustvari zelo majhen napetostni potencial, znan kot Hallov učinek, in zahteva močna magnetna polja, da se ustvari okolje za zaznavanje. Ko se v enačbo dodajo še elektromagnetne motnje, se Hallovi senzorji soočajo z nevarnostjo popačenega, prezgodnjega ali lažnega zaznavanja magnetov in lahko tvegajo trajno poškodbo.
Da bi zmanjšali tveganje okvare zaradi EMI, se uporabljajo kovine, ki absorbirajo magnetne vplive, da se senzor zaščiti pred blodečimi magnetnimi polji, kar povečuje velikost in stroške rešitev.
Vedno bolj priljubljena rešitev za zmanjšanje tveganja, stroškov in velikosti v aplikacijah, obremenjenih z EMI, je induktivni senzor položaja. Ti senzorji niso magnetni, prav tako jim ni treba uporabljati magnetov ali magnetnih kovin, temveč so, kot pove že ime, rešitev, ki temelji na induktivnosti tuljave.
Z zasnovo ohišja senzorja, ki je tanko tiskano vezje z vgrajenim navitjem kovinskih trakov, se doseže pasivno dušenje EMI. Ko prevodni kos kovine, imenovan tarča, prečka senzor, se magnetna polja, ki jih oddaja primarna tuljava na tiskanem vezju (podobno kot primar na transformatorju), prekinejo in magnetno polje se na mestu, kjer je tarča, zmanjša na nič.
V tiskano vezje sta vgrajeni tudi dve sprejemni tuljavi (sekundarni del transformatorja), ki se uporabljata za zaznavanje različnih napetosti zaradi motenj v magnetnem polju.
Nastale informacije se obdelajo v integriranem vezju in sistemu vrnejo izhodno vrednost, ki temelji na položaju. V zasnovo teh naprav so vgrajene ključne metode za dušenje blodečih magnetnih polj, ki bi običajno motila sistem.
Aktivno in pasivno filtriranje šuma je nekaj ključnih funkcij, ki so vgrajene v številne induktivne senzorje položaja. Aktivno dušenje blodečih magnetnih polj se doseže z dobro znanimi tehničnimi lastnostmi sinhrone demodulacije in pasovne širine filtrov.
Kombinacija teh tehnik omogoča merjenje specifičnih signalov ob hkratnem ignoriranju sicer motečega šuma iz okolja.
Oddajnik in sprejemnik izhajata iz istega sistema, zato lahko izračunamo natančno fazo med obema signaloma in aktivno izločimo šum magnetnega polja. Pasivno filtriranje je omogočeno z uporabo tuljav za zaznavanje napetosti.
Motnje, zaznane na teh tuljavah, se lahko uporabijo za izračun natančnega položaja na podlagi razmerja sinusa in kosinusa. Kovine zunaj območja učinkovite zračne reže se v zaznavnem vezju ne registrirajo zaradi uporabe metričnih izračunov razmerja z uporabo signalov iz sprejemnih tuljav.
Izvajanje teh metod za zmanjševanje šumov zagotavlja zelo natančno zaznavanje položaja, ki je odporno na blodeča magnetna polja, hkrati pa odpravlja potrebo po težkih in dragih magnetih ali zaščiti pred elektromagnetnimi motnjami.
V podporo tem trditvam o neverjetni odpornosti na elektromagnetne motnje je ekipa podjetja Microchip Technology zbrala dokaze s poskusi na induktivnih senzorjih položaja z induciranimi magnetnimi polji v neposredni bližini senzorja. V enem od poskusov je bil neodimov magnet nameščen približno 15 mm nad linearnim telesom senzorja z akrilno strukturo tako, da je tarča prosto prehajala pod magnetom, magnet pa se je lahko tudi statično ali dinamično premikal vzdolž telesa senzorja. Vzdolž senzorja je bila nameščena tudi merilna sonda, ki je zaznavala moč magneta.
Čeprav je sonda zaznala magnetno polje 7,2 mT (5716,9 A/m), to ni vplivalo na natančno zaznavanje položaja tarče med premikanjem po računalniku.
Drugi preskusi v skladu z avtomobilskimi standardi ISO11452-8 dokazujejo, da ravni odpornosti teh enkoderjev ustrezajo stopnji IV in jo celo presegajo, saj dosegajo odpornost na elektromagnetno prevodnost 7000 A/m (8,8 mT) pri frekvenci 10 Hz. Tehnologija induktivnega enkoderja dosledno deluje brez motenj kljub temu, da v senzor vdirajo silnice magnetna polja.
Zaradi sinhrone demodulacije in delovne frekvence zasnove integriranega vezja se natančnost in točnost zaznavanja cilja ne zmanjšata ali popačita.
Ker sodobne zahteve glede načrtovanja zahtevajo nenehno zmanjševanje oblike ob hkratnem ohranjanju ali izboljšanju zmogljivosti, je induktivni senzor položaja odlična nadgradnja starajočih se magnetnih rešitev. Isti IC lahko podpira zasnove linearnega in rotacijskega zaznavanja položaja z uporabo preprostega telesa senzorja na tiskanem vezju in majhne kovinske tarče.
Ta rešitev je odporna na blodeča magnetna polja, hkrati pa ohranja zelo visoko natančnost in lahko podpira visoko zanesljivost (AEC Q100 Grade 0) in varnostno oceno (ASIL D). Z napredkom v tej smeri induktivnega zaznavanja položaja je Microchipov portfelj najobsežnejši v panogi, ki podpira številne aplikacije za zaznavanje pri nizkih in visokih hitrostih, vključno z nadzorom motorjev.
Ti senzorji so kot nalašč za natančne zasnove senzorjev položaja, vključno s tistimi, pri katerih so prisotne visoke stopnje magnetnih motenj.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
