Välja och använda en linjär positionssensor för robusta fordonsstyrningar

Med Internet of Things (IoT) för fabriksautomation och den ökande användningen av elektronik i fordon måste konstruktörer noga överväga sina sensoralternativ. Fordon som traktorer och gaffeltruckar innebär unika konstruktionsutmaningar när det gäller linjära sensorer för styrning. Styrningarna måste vara exakta, mottagliga, tillförlitliga, tåliga och klara extrema temperaturer, stötar, vibrationer, damm och fukt under många år med minimalt underhåll.

Ett alternativ som uppfyller kraven för dessa tillämpningar är den linjära Hall-effektsensorn. Som ett kontaktfritt alternativ kan dessa sensorer vara tåliga för att klara tuffa arbetsförhållanden.

Artikeln diskuterar avkänningskraven för fordon och vad som gör linjära Hall-effektsensorer till ett bra alternativ. Därefter presenteras linjära Hall-effektsensorer från Vishay för att illustrera deras egenskaper och hur man väljer och använder dem framgångsrikt.

Varför robusta fordon behöver specialiserade, styrningar med hög noggrannhet

Robusta fordon används ofta i farliga miljöer där noggrann manövrering är ett krav. Därför måste styrningen av dessa fordon vara mycket exakt och mottaglig. Operatörens kontroller måste dessutom ofta ha ett gränssnitt mot flera inbyggda IoT-sensorer och automatiserade styrsystem. Exempel på tillämpningar är:

• Styrspakar på gaffeltruckar: Noggrann detektering av styrvinkeln (dvs. huvudstyrhandtaget) möjliggör säker och effektiv manövrering, vilket är särskilt viktigt i trånga utrymmen.
• Växellägen i traktorer: Smidiga växlingar minimerar slitaget på transmissionen och förbättrar bränsleeffektiviteten.
• System för pedalrörelse: Exakta mätningar ger optimal fordonsstyrning och förbättrar säkerhetsfunktioner som automatisk hastighetssänkning och nödstopp.

Tillförlitlighet är ett annat konstruktionskrav. I miljöer som lager och tillverkningsanläggningar kan styrningarna utsättas för föroreningar, extrema temperaturer och fysiskt slitage.

Slutligen behöver robusta fordon ofta konstrueras för begränsade utrymmen. Gaffeltruckar är exempelvis mycket kompakta för att optimera manövrering i lagergångar. Därför måste sensorerna för styrning av robusta fordon vanligtvis vara så små som möjligt.

Varför linjära Hall-effektsensorer är unikt lämpade för robusta fordonsstyrningar

Att välja en lämplig sensor för robusta fordonsstyrningar kan vara svårt på grund av behovet av tålighet, långa slaglängder och liten storlek. Linjära Hall-effektsensorer är ett bra alternativ eftersom det är en beröringsfri teknik som klarar miljontals cykler utan justering. De finns dessutom i kompakta, lättmonterade kapslingar och har utmärkt noggrannhet vid positionsdetektering av korta avstånd.

Det är bra att först undersöka Hall-effekten för att förstå dessa fördelar. En Hall-effektsensor applicerar en fast förspänd likström längs en axel och över en tunn remsa av metall eller halvledare som kallas Hall-elementet. När ett magnetfält appliceras vinkelrätt mot strömflödet avleds laddningsbärarna av Lorentz-kraften och ansamlas på motsatta sidor av Hall-elementet, vilket skapar ett transversellt elektriskt fält som kallas Hall-fältet och en potential över elementet som kallas Hall-spänningen. Hallspänningen är proportionerlig mot produkten av strömmen, magnetfältet och en materialberoende konstant som kallas Hall-koefficienten.

I en linjär sensor kan Hall-effekten skapa en utspänning som är proportionerlig mot resistansen hos Hall-elementet och en magnet. Detta resulterar i en mycket noggrann positionsavkänning på korta avstånd med snabba svarstider.

En linjär Hall-effektsensor som konstruerats för styrning av robusta fordon

Positionssensorerna i serien 20LHE från Vishay (figur 1) exemplifierar fördelarna med linjära Hall-effektsensorer. De har en kort slaglängd på 10 mm och en spårningshastighet på 60 mm/s. De är väl lämpade för fordonsstyrning med hög noggrannhet tack vare sin linjäritet, som kan specificeras så lågt som ±1 %.

Figur 1: Linjära positionssensorer med Hall-effekt som har en linjäritet på ±1 %. (Bildkälla: Vishay)

Sensorerna i serien 20LHE är konstruerade för att arbeta i tuffa miljöer och har en underhållsfri livslängd på över 10 miljoner cykler. Sensorerna ger noggranna mätningar när ström tillförs utan kalibrering eller initialisering. Sensorerna ger dessutom utmärkt stabilitet utan linjäritetsförskjutning. Den statiska hysteresen är begränsad till 0,1 % av matningsspänningen, medan den dynamiska hysteresen är endast 0,25 %.

Sensorerna är monterade på flänsar för enkel installation, vilket visas i figur 2, och axeln kan sträcka sig 30 mm från monteringsytan för att underlätta anslutningen till styrmekanismen. Samtidigt är de totala måtten för en sensor i serien 20LHE endast 46 x 20,8 x 37 mm, vilket gör att enheten får plats i trånga fordonshytter.

Figur 2: Sensorerna i serien 20LHE är kompakta och har en konstruktion med flänsar för enkel montering. (Bildkälla: Vishay)

Mekaniska konstruktionsöverväganden för linjära Hall-effektsensorer

Robusta fordonsstyrningar måste ha hög tillförlitlighet i okontrollerade miljöer. Därför är det viktigt att ta hänsyn till hur väl en sensor för fordonsstyrning klarar av att utsättas för tuffa tag. Fysisk påverkan är troligt vid tuffa förhållanden, liksom vibrationer från sådana källor som fordonets motor och fjädring. Sensorerna i serien 20LHE har en robust fysisk design som tål vibrationer på upp till 20 g och stötar på upp till 50 g.

Sensorerna i serien 20LHE är inkapslade i en tålig kapsling av termoplast som tål damm, vätskor och extrema temperaturer på -40 °C till +85 °C. Modeller med returfjäder har IP-klassificering på IP51; högre IP-klassificeringar finns också.

IP-klassificeringen anger hur väl en kapsling skyddar mot inträngning av fasta föremål (första siffran) och vätskor (andra siffran). När det gäller IP51 anger 5 att kapslingen är skyddad mot inträngning av damm i en mängd som är tillräcklig för att påverka enhetens normala funktion, medan 1 anger att höljet är skyddat mot vertikalt fallande vattendroppar.

Överväganden vid elektrisk konstruktion med linjära Hall-effektsensorer

Robusta miljöer medför även elektromagnetiska risker, t.ex. elektrostatiska urladdningar och oavsiktliga interaktioner mellan olika elektriska och elektroniska system. Serien 20LHE tål en stor mängd sådana risker. Framför allt tål de en överspänning på +20 V och en omvänd spänning på -10 V. Övriga miljöspecifikationer anges i tabell 1.

Tabell 1: Serien 20LHE är konstruerad för att tåla fysiska och elektromagnetiska risker. (Bildkälla: Vishay)

En linjär Hall-effektsensor måste kopplas ihop med en belastningsresistans för att fungera korrekt. För serien 20LHE rekommenderar Vishay en minsta belastning på 1 kilohm (kΩ).

Välja en linjär Hall-effektsensor

Noggrannhet är den första parametern att ta hänsyn till, eftersom sensorn måste stödja den styrprecision som krävs. När det gäller serien 20LHE har Vishay antingen ±2 % linjäritet med 20LHE1XWA1P30 eller ±1 % linjäritet med 20LHE1AWA1P30.

Utgången bör även motsvara behoven i resten av styrsystemet. Typiska alternativ är analog ratiometrisk modulering, eller pulsbreddsmodulering (PWM). Serien 20LHE finns i båda konfigurationerna, där utsignalen ökar eller minskar i förhållande till sensorns position. 20LHE1AWB1P30 har exempelvis en analog minskande utgång, vilket innebär att utgången är som lägst när givaraxeln är helt komprimerad (figur 3).

Figur 3: 20LHE1AWB1P30 finns med en analog minskande utgång, som är som lägst när givaraxeln är helt komprimerad. (Bildkälla: Vishay)

Själva axeln bör också övervägas. Serien 20LHE har exempelvis en axel på 3,175 mm som även finns med en M3 x 6 mm gänga som tillval. En sådan konfiguration kan förenkla installationen och ge en säkrare anslutning till styrmekanismen.

De flesta modeller i serien 20LHE är utrustade med en fjädrande återgång. Fjädern ger en självcentrerande mekanism som garanterar att sensorn återgår till sitt ursprungliga läge när kraften som förflyttade den försvinner. Funktionen kan vara till nytta i tillämpningar för fordonsstyrning som t.ex. sensorer för gasreglagets position, där operatörer ofta applicerar och släpper inmatningskrafter. Modeller utan fjäder, som t.ex. 20LHE2AWA1P30, finns också.

Sammanfattning

Som ett kontaktfritt alternativ passar linjära Hall-effektgivare utmärkt för styrning av robusta fordon. Serien 20LHE har ett kompakt format och är flänsmonterad för enkel installation. De är även tillräckligt tåliga för att klara tuffa arbetsförhållanden och leverera stabil, underhållsfri noggrannhet trots fysiska och elektromagnetiska risker.