Indukcyjne czujniki położenia rozwiązują problem błądzących pól magnetycznych

Indukcyjne czujniki położenia rozwiązują problem błądzących pól magnetycznych

Ekologiczne i wydajne pojazdy hybrydowe oraz elektryczne, oferowane przez coraz większą liczbę dostawców, nieustannie przyciągają uwagę użytkowników – nowoczesna elektromobilność jest bowiem ważnym krokiem w kierunku zrównoważonego rozwoju. Wraz z wprowadzeniem różnorodnych silników elektrycznych i akumulatorów w świecie elektroniki do głosu doszedł stary problem: błądzące pola magnetyczne.

Ten specyficzny rodzaj zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) sieje spustoszenie wśród powszechnie stosowanych rozwiązań sensorów położenia. Problem dotyczy zarówno czujników, które z natury są szczególnie podatne na zakłócenia magnetyczne (w tym przede wszystkim czujników Halla), jak i tych, które wprawdzie mogą być odporne na błądzące pola magnetyczne, ale okazują się kosztowne (jak resolvery magnetyczne czy liniowe transformatory różnicowe LVDT). Remedium na opisane problemy stanowi zatem zastosowanie indukcyjnego czujnika położenia, który zapewnia dużą dokładność wykrywania pozycji nawet w środowisku bogatym w silne zakłócenia magnetyczne.

Pola magnetyczne nie są w żadnym razie nieznanym artefaktem ani nawet nowo odkrytym zjawiskiem w świecie półprzewodników oraz szeroko pojętej elektroniki. Jako zjawisko stanowią integralną część funkcjonowania półprzewodników i trzeba uwzględniać je przy projektowaniu każdego układu scalonego.

Jednakże gdy bezszczotkowy silnik prądu stałego (BLDC), silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM), wysokoprądowe okablowanie silników lub nawet oprzewodowanie akumulatorów znajduje się w pobliżu modułów elektronicznych i czujników, błądzące pola magnetyczne mogą zakłócać ich pracę, a w skrajnych przypadkach powodować nieodwracalne awarie – tak poważne w skutkach w przypadku systemów o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa. Problem staje się tym poważniejszy, że silniki BLDC i PMSM to jedne z najpopularniejszych rodzajów napędów stosowanych w elektrycznych lub hybrydowych pojazdach dwu- i czterokołowych. Obydwie spośród wymienionych konstrukcji napędu używają bardzo silnych magnesów na wirniku, a ich działanie opiera się na przepływie prądów o dużych natężeniach, kierowanych ze sterownika na uzwojenia stojana. Zarówno magnesy, jak i prądy zasilające silnik emitują zakłócenia (elektro)magnetyczne do otaczających je obszarów. Dodatkowe, mniejsze silniki BLDC są obecne w wielu innych częściach pojazdu, w tym w systemach hamulcowych czy sterujących. Kluczowe znaczenie z punktu widzenia konstrukcji oraz poziomu zakłóceń magnetycznych we wszystkich pojazdach elektrycznych mają także akumulatory. Prąd elektryczny przepływający w czasie ich ładowania lub zasilania za ich pomocą napędu samochodu jest źródłem silnych, rozproszonych pól magnetycznych – niektóre pojazdy korzystają z kilku tysięcy akumulatorów do zasilania instalacji pokładowej, co czyni te ogniwa głównym źródłem zakłóceń prowadzących do problemów w funkcjonowaniu tradycyjnych czujników.

Sensory położenia są kluczowym elementem konstrukcji wielu podsystemów stosowanych w pojazdach – w tym pedałów nożnych, sterowania przepustnicą, systemów pozycjonowania hamulców, pokręteł pokładowych systemów informacyjno-rozrywkowych, dźwigni zmiany biegów, czujników układu kierowniczego i nie tylko. Historycznie rzecz biorąc, jako główną metodę wykrywania położenia stosowano wcześniej resolvery magnetyczne, liniowe transformatory różnicowe (LVDT) czy czujniki hallotronowe. Te ostatnie są jednymi z najczęściej wdrażanych rozwiązań i służą do określania natężenia oraz kierunku pola magnetycznego, dzięki czemu są w stanie określić położenie magnesu lub elektromagnesu umieszczonego w pobliżu czujnika. Część aktywną tego komponentu stanowi cienki kawałek krzemu, w którym – po wystawieniu go na działanie pola magnetycznego – nośniki o przeciwnych znakach (elektrony i dziury) są wypychane do przeciwległych krawędzi krzemu. Powoduje to wytworzenie bardzo małej różnicy potencjałów – zjawisko takie nosi nazwę efektu Halla i wymaga stosunkowo silnych pól magnetycznych do wytworzenia użytecznego sygnału. Jeśli występują zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne, pojawia się ryzyko zniekształconego, przedwczesnego lub fałszywego wykrycia magnesu przez czujniki hallotronowe, co może skutkować trwałym uszkodzeniem współpracującej z nimi konstrukcji. Aby zmniejszyć ryzyko awarii wywołanej przez zakłócenia elektromagnetyczne, w praktyce stosuje się ekranowanie magnetyczne – chroni ono czujnik przed rozproszonymi polami zakłócającymi, co wiąże się jednak ze zwiększeniem rozmiarów i kosztów wdrożenia takich rozwiązań.

Coraz popularniejszym rozwiązaniem, pozwalającym zmniejszyć ryzyko, koszty i rozmiary czujników w aplikacjach narażonych na zakłócenia elektromagnetyczne, są indukcyjne czujniki położenia. Sensory te nie wymagają stosowania magnesów ani metali magnetycznych, ale – jak sama nazwa wskazuje – ich konstrukcja oparta jest na cewce indukcyjnej. Dzięki specyficznej budowie korpusu czujnika, który stanowi cienką płytkę drukowaną z uzwojeniami wykonanymi w postaci metalowych ścieżek, osiągnięto pasywne tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych. Gdy przewodzący obiekt metalowy przechodzi nad czujnikiem, pola magnetyczne emitowane przez cewkę pierwotną (podobnie jak w przypadku uzwojenia pierwotnego w transformatorze) zostają zakłócone, a pole magnetyczne spada do zera w miejscu, w którym znajduje się ów obiekt. W płytce drukowanej znajdują się również dwie cewki odbiorcze (odpowiadające wtórnym uzwojeniom transformatora), służące do wykrywania różnych napięć spowodowanych zakłóceniami pola magnetycznego. Uzyskana informacja jest przetwarzana w układzie scalonym w celu zwrócenia do systemu wartości wyjściowej odpowiadającej pozycji obiektu znajdującego się w pobliżu czujnika. W konstrukcji układów uwzględniono implementację najważniejszych funkcji umożliwiających tłumienie wpływu przypadkowych pól magnetycznych, które normalnie zakłócałyby działanie systemu.

Aktywne i pasywne filtrowanie szumów to tylko niektóre z kluczowych funkcjonalności zaimplementowanych w wielu indukcyjnych czujnikach położenia. Aktywne odrzucanie błądzących pól magnetycznych osiąga się dzięki dobrze znanym właściwościom technicznym synchronicznej demodulacji i filtrów pasmowoprzepustowych. Połączenie tych technik umożliwia pomiar określonych sygnałów – przy jednoczesnym ignorowaniu natrętnego hałasu z otoczenia. Nadajnik i odbiornik są synchronizowane za pomocą wspólnego sygnału, dzięki czemu jesteśmy w stanie obliczyć dokładną różnicę fazy pomiędzy dwoma sygnałami i aktywnie tłumić szum pochodzący od niepożądanego pola magnetycznego. Filtrowanie pasywne możliwe jest natomiast dzięki zastosowaniu cewek przeznaczonych do detekcji napięcia. Zakłócenia wykryte na tych cewkach można zastosować do obliczenia dokładnego położenia obiektu (na podstawie stosunku wartości funkcji sinus i cosinus). Metale znajdujące się poza efektywnym zasięgiem szczeliny powietrznej nie są rejestrowane w obwodzie czujnikowym ze względu na zastosowanie metody ratiometrycznej z użyciem sygnałów z cewek odbiorczych. Wdrożenie opisanych metod tłumienia zakłóceń zapewnia dużą dokładność wykrywania położenia, a także odporność na błądzące pola magnetyczne przy jednoczesnej eliminacji potrzeby stosowania ciężkich i drogich magnesów lub ekranowania magnetycznego.

Na poparcie powyższych twierdzeń o doskonałej odporności opisywanych czujników na zakłócenia elektromagnetyczne zespół Microchip Technology zebrał drogą eksperymentalną dowody w postaci pomiarów. Badania przeprowadzono z użyciem indukcyjnych czujników położenia – w warunkach zewnętrznych pól magnetycznych indukowanych w pobliżu czujnika. W jednym eksperymencie magnes neodymowy umieszczono około 15 mm nad korpusem czujnika z liniową płytką PCB, używając akrylowej struktury nośnej w taki sposób, że wykrywany obiekt mógł swobodnie przechodzić pod magnesem, a sam magnes również można było przesuwać statycznie lub dynamicznie wzdłuż korpusu czujnika. Wzdłuż płytki sensora umieszczono także sondę gausometryczną, aby wykryć siłę obecnego tam pola. Pomimo że sonda wykryła pole magnetyczne o natężeniu 7,2 mT (5716,9 A/m), nie miało to wpływu na precyzyjny pomiar położenia celu podczas jego przesuwania się po akrylowej konstrukcji. Inne testy przeprowadzone zgodnie z normami motoryzacyjnymi ISO11452-8 potwierdzają, że poziomy odporności tych enkoderów spełniają poziom IV, a nawet przekraczają te wymagania, osiągając odporność na zakłócenia na poziomie 7000 A/m (8,8 mT) przy częstotliwości 10 Hz. Technologia enkodera indukcyjnego działa bez zakłóceń, pomimo wystawiania czujnika na działanie silnych pól magnetycznych. Dokładność i precyzja wykrywania celu nie są osłabione ani zniekształcone właśnie za sprawą zastosowania synchronicznej demodulacji oraz wysokiej częstotliwości roboczej scalonego front-endu pomiarowego.

Podsumowanie

Ponieważ wymagania stawiane projektantom narzucają stosowanie coraz mniejszych obudów – przy jednoczesnym zachowaniu tych samych, a nawet zwiększonych osiągów metrologicznych – indukcyjne czujniki położenia stanowią fantastyczne ulepszenie tradycyjnych rozwiązań magnetycznych. Ten sam układ scalony może obsługiwać projekty liniowego i obrotowego detektora położenia – przy użyciu prostego korpusu na bazie czujnika PCB i małego metalowego „celu” (obiektu ruchomego, współpracującego z uzwojeniami sensora). Rozwiązanie to wykazuje wybitną odporność na błądzące pola magnetyczne, a przy tym zachowuje doskonałą dokładność, wysoki poziom niezawodności (AEC Q100 klasa 0) i zapewnia wsparcie w zakresie oceny bezpieczeństwa systemu (ASIL D). Kontynuując rozwój portfolio produktowego w zakresie indukcyjnego wykrywania położenia, Microchip udostępnia najbardziej wszechstronne rozwiązania w branży. Układy indukcyjnych detektorów położenia Microchip obsługują niezliczone aplikacje, zarówno przy niskich, jak i naprawdę dużych prędkościach, w tym w zastosowaniach związanych ze  sterowaniem silnikami, w których występuje wysoki poziom zakłóceń magnetycznych.

Dustin Tenney
Senior Product Marketing Engineer Microchip Technologies Inc.
www.microchip.com

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik lipiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio lipiec - sierpień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje czerwiec 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna lipiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich lipiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów