Hur man väljer och använder vinkelsensorer för servostyrning, motorer och robotik

När fabriker och fordon blir mer automatiserade, är noggrann och låglatent avkänning av varvtal och läge för motoraxlar kritiskt för processtyrning, systemtillförlitlighet och säkerhet. För att uppfylla dessa behov, behöver utvecklare vinkelrotationssensorer som är snabba och exakta med flexibilitet att hantera magnetfältsvariationer och axiella avvikelser.

För att ytterligare komplicera för utvecklarna finns den allestädes närvarande kostnads- och tidspressen, samt karaktären av driftmiljöerna för industri- och fordonstillämpningar, vilket kan vara utmanande när det gäller kemikalier och oljor, liksom temperaturer och EMI. Andra överväganden omfattar slitage och ständigt föränderliga konfigurationer, vilket kräver en grad av flexibilitet i avkänningsenheten.

Denna artikel beskriver rollen för vinkelsensorer och visar hur lägesavkänningsvarianter som hastighet och låg latens kan skräddarsys med hjälp av specifika kombinationer av magnetiska insignaler och sensorelement. Exempelsensorlösningar från AKM Semiconductor, Infineon Technologies och Monolithic Power Systems presenteras sedan och vi diskuterar hur de kan implementeras.

Rollen för vinkelsensorer

Vinkelsensorer används för att känna av variationer i läge och varvtal för motoraxlar för styrvinkelavkänning för bilar och högprecisionsstyrning i robotsystem. De fastställer den absoluta vinkelpositionen av en diametralt magnetisk cylinder på en roterande axel genom att detektera riktningen av ett anbringat magnetfält och mäta dess sinus- och cosinus-komponenter. Eftersom axeln kan rotera snabbt, är det kritiskt att data från sensorn registreras och behandlas snabbt med minimal latens.

Normalt används en av fyra magnetteknologier: Hall-effekt, anisotropisk magnetoresistans (AMR), jätte-magnetoresistans (GMR) och tunnel-magnetoresistans (TMR) (figur 1). När man använder någon av dessa tekniker, måste utvecklarna först fastställa ett lämpligt avstånd från magnetytan till sensorn baserat på specifika parametrar, som magnetiska egenskaper, sensorspecifikationer och monteringstoleranser.

Figur 1: När en magnet roteras på en TMR-sensor, ändras resistansen i avkänningselementet med rotationsvinkeln. (Bildkälla: DigiKey)

Denna luftspalt måste vara anpassad efter parametrar som magnetstorlek och -remanens, även kallat restmagnetisering. Konstruktörerna måste också säkerställa att luftspaltvariationer inte resulterar i magnetfält som är för svaga eller för starka. Detta kräver noggrant övervägande av lämplig magnet för luftspalten i den respektive tillämpningen (Figur 2).

Figur 2: Designers kan välja ett magnet-till-sensor-läge baserat på designhänsyn som nödvändig nivå av immunitet mot yttre fältstörningar och luftspalttolerans. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

Med det sagt kan vinkelsensorer användas för ett stort antal rumsliga konfigurationer och magnetiska fältstyrkor, inklusive montering både på och på sidan av axeln och i änden av axeln. För att överbrygga dessa variationer används ett integrerat permanentminne som lagrar konfigurationsparametrar som nollvinkelreferens, ABZ-encoderinställningar och fasinformation för motorlindningarna.

Vidare gör enhetens förmåga att detektera olika magnetfältstyrkor det möjligt för utvecklare att anpassa vinkelsensorn för specifika funktioner som diagnostik och avkänning av axiella rörelser. Tillgängligheten av programmerbara trösklar för magnetfältstyrkor underlättar också implementering av en tryck- eller dragknappfunktion utmatad som två logiksignaler.

Eftersom egenskaper som hastighet, låg latens och upplösning dock beror på tillämpningskraven, är säkerheten central konstruktioner med vinkelsensorer. Genom att följa funktionella säkerhetsstandarder säkras ytterligare lämpligheten för den precisions- och tillförlitlighetskritiska konstruktionsmiljön i fordonssektorn och industrin.

Att uppfylla funktionella säkerhetskrav

Vinkelsensorer som används i fordonstillämpningar behöver en hög grad av precision, ned till 0,1˚, för att kunna uppfylla funktionssäkerhetsstandarden ISO 26262 i sammanhang med mycket krävande driftmiljöer. Tillämpningarna för dessa sensorer omfattar lägesmätning i borstlösa DC-motorer (BLDC) för pumpar, vindrutetorkare, bromsar, ventiler, spjäll, pedaler och rattstyrvinkel. Precisionen på 0,1˚ gäller i hela temperaturintervallet och under hela produktlivscykeln. Dessutom måste vinkelsensorer vid låga magnetiska flödestätheter, mellan 10 mT och 20 mT, där vinkelfelet ökar märkbart, och som används i fordons- och industrikonstruktioner, fortfarande åstadkomma så låga vinkelfel som 0,2°.

Vidare måste vinkelsensorer enkelt kunna integreras i säkerhetskritiska konstruktioner som elektriska servostyrsystem (EPS), vilka är helt avgörande för autonoma funktioner som automatisk parkering och filhållning.

För att göra dem mer lättanvända finns Infineons vinkelsensorer XENSIV TLE5109 och TLE5014 tillgängliga med både enkelt och dubbelt chip, och integrerar både avkännings- och logikelementen på ett enda chip (figur 3). Utföranden med dubbelt chip är mer lämpliga för ASIL-D-säkerhetstillämpningar.

Figur 3: Sidovy (vänster) av vinkelsensor med dubbelt chip (höger) för säkerhetskritiska tillämpningar som tillämpar en vertikal funktionsprincip för att spara utrymme och hålla kostnaden nere genom att använda en billig ferritmagnet. (Bildkälla: Infineon Technologies)

TLE5109A16E2210XUMA1 ingår i ett sortiment som innefattar snabba, högprecisa AMR-analogvinkelsensorer med en felvinkel på 0,1°. Även om AMR-baserade vinkelsensorer är konstruerade för 180° vinkelmätning, är de även lämpade för 360° mätning i motorer med ett jämnt antal polpar, eftersom AMR-avkänningselementet faktiskt mäter den dubbla vinkeln, sinus och cosinus (figur 4). Deras ringa vinkelfel gör dem även lämpliga för ett brett intervall av magnetfältstyrkor, med flödestätheter från 10 mT till över 500 mT.

Figur 4: Den AMR-baserade vinkelsensorn är konstruerad för 180˚ vinkelmätning, men den kan användas för att mäta runt hela 360˚-varvet eftersom den mäter både sinus- och cosinusvinklar. (Bildkälla: Infineon Technologies)

TLE5109-vinkelsensorer drivs med 3,3 volt eller 5 volts matning. Andra egenskaper omfattar en kort uppstartstid på mellan 40 och 70 mikrosekunder för att uppnå minimal latens och stöd för varvtal på över 30 000 varv i minuten.

TLE5014C16XUMA1 är en produkt i sortimentet med GMR-sensorer som kan programmeras för att användas i ett brett utbud av tillämpningar genom att spara den önskade konfigurationen i ett EEPROM på kortet (figur 5). Dessa sensorer förbättrar flexibiliteten och användarvänligheten genom att även erbjuda en uppsättning olika gränssnitt, inklusive PWM, SENT, SPC, och SPI.

Figur 5: De förkonfigurerade och förkalibrerade vinkelsensorerna TLE5014 har flexibilitet att programmeras och på så vis anpassas till önskad tillämpning genom dess kortmonterade EEPROM. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Vinkelsensorerna TLE5014 drar typiskt sett 25 mA från matningsspänningar på upp till 26 volt (absolut maximum) och uppfyller ISO 26262 ASIL-C för enkelchip- och ISO 26262 ASIL-D för dubbelchipversioner.

Nyckelprestandaparametrar

För att till fullo förverkliga vinkelsensorernas förmåga att reducera hörbart buller och optimera motorns gångjämnhet och vridmoment, bör konstruktörerna noggrant beakta dessa nyckelparametrar: precision, hastighet, latens, avvikelser i axialled och magnetisk avdrift.

Exempelvis är högprecisa avläsningar avgörande för fordons- och industrimiljöer, trots de hårda omgivningsförhållandena. Det gör faktorer som termisk stabilitet och luftspalttolerans viktiga för en vinkelsensors förmåga att uppnå vissa precisionsnivåer utan att öka kostnaderna och komplexiteten i systemkonstruktionen.

För att uppfylla sådana krav på minimala kostnader, kan Monolithic Power Systems MagAlpha-magnetpositionssensorer —MA302GQ-P, MA702GQ-P/Z och MA730GQ-Z— monteras på kortkanten både för montering i axeländen och vid sidan om axeln. För högre fart, gör den kontaktlösa avkänningen och absolutvinkelencodern med 12-bitars upplösning det möjligt för MA302-sensorerna att ge korrekt vinkelmätning från 0 upp till 60 000 rpm. Den kontaktlösa MagAlpha MA730GQ-Z erbjuder 14-bitars upplösning och digital avläsning via SPI-länken (figur 6).

Figur 6: Den kontaktlösa MagAlpha MA730GQ-Z erbjuder 14-bitars upplösning och digital avläsning via SPI-länken. (Bildkälla: Monolithic Power Systems)

För långsammare rörelser, såsom människa-maskin-gränssnitt (HMI) eller manuella kontroller där rotationshastigheten håller sig under 200 rpm, erbjuder företaget den digitala magnetsensor MagAlpha MA800, konstruerad för att ersätta analoga potentiometrar eller vridomkopplare. Den används med en diametralt magnetisk cylinder på 2 mm till 8 mm, och dess magnetkonfigurationer och -former är flexibla.

MA800 har lägre upplösning (8 bitar) men har integrerat permanentminne och programmerbara trösklar för magnetfältstyrka. Detta gör den lämplig för tillämpningar som kräver implementering av tryckknappsavläsning via registerbitar likväl som utsignaler.

Vinkelsensorer med noll latens

AK7451 är en 12-bitars vinkelsensor som detekterar rotationshastighet och -vinkel genom att mäta intensiteten av ett magnetfält. Den har en kombination av magneter som fungerar parallellt med IC-ytan samtidigt som den erbjuder spårningshastigheter på upp till 20 000 rpm. Efter att den detekterat magnetfältvektorn parallell med IC-ytan, matar den ut absolutvinkelpositionen för magneten och sedan den relativa vinkelpositionen.

AK7451 använder spårservo-systemarkitekturen för att säkerställa noll latens i vinkelavkänningen. Nollatensvinkelsensorn kan mata ut upp till åttapoliga UVW-lindningsfaser (figur 7), vilket märkbart förbättrar dess mångsidighet och gör att den kan serva ett stort antal motordrivnings- och encodertillämpningar.

Figur 7: Med AK7451 har utvecklarna möjlighet att programmera 16 upplösningsinställningar för ABZ-utgång och 8 nummerinställningar för UVW-utgångspulser via EEPROM. (Bildkälla: AKM Semiconductor)

Den utökade upplösningsinställningen av ABZ-fasutsignalerna, från 4 till 16 typer, förstärker också motorstyrningens användbarhet. Detta möjliggör också att AK7451-vinkelsensorerna underlättar rotorlägesdetektering i borstlös DC-motordrivning utan Hall IC-installation.

Här är det värt att nämna att för vissa tillämpningar med lägesavkänning, är latens inte en kritisk fråga. I elektriska servostyrningar (EPS) för exempelvis handrattsavkänning, begärs ett nytt vinkelvärde varje milllisekund (ms). Det är också viktigt att skilja mellan mellan fel som orsakas av sensorkretsen och den magnetiska insignalen, vilket gör att vinkelsensorkretsen kan användas för att kompensera för fel som kan hänföras till den magnetiska insignalen.

Slutsats

Samtidigt som den större precisionen och det mindre fysiska formatet till stor del driver funktionsutbudet i vinkelsensorer för fordons- och industritillämpningar, kan det totala mervärdet i dessa precisionsprodukter sammanfattas i efterlevnaden av funktionella säkerhetsstandarder. För att helt kunna utnyttja förmågorna, behöver dock utvecklarna noggrant beakta specifika tillämpningskrav för att få tydlighet om prestandaparametrar som lämplig storlek på luftspalt, magnetfältstyrka, rotationshastighet och vinkelfel.

När dessa krav väl är upprättade, finns det, såsom visats, ett brett utbud av kontaktlösa sensorer som erbjuder nödvändig precision, hastighet och programmerbar flexibilitet för att uppfylla dessa krav.