Výběr a použití lineárního senzoru polohy pro robustní ovládání vozidel

S nasazením internetu věcí (IoT) pro automatizaci továren a rostoucím používáním elektroniky ve vozidlech musí konstruktéři pečlivě zvážit možnosti svých senzorů. Vozidla, jako jsou traktory a vysokozdvižné vozíky, představují jedinečné konstrukční výzvy týkající se lineárních senzorů pro ovládání. Tyto ovládací prvky musejí být přesné, citlivé, spolehlivé a odolné a musejí odolávat extrémním teplotám, nárazům, vibracím, prachu a vlhkosti po mnoho let s minimální údržbou.

Jednou z možností, která splňuje požadavky pro tyto aplikace, je lineární senzor s Hallovým efektem. Tyto senzory, které plní bezkontaktní funkci, mohou být zrobustněny, aby odolávaly náročným pracovním podmínkám.

Tento článek pojednává o požadavcích na snímání vozidel a o tom, proč se lineární senzory s Hallovým efektem stávají dobrou volbou. Poté představuje lineární senzory s Hallovým efektem od společnosti Vishay, popisuje jejich vlastnosti a způsob úspěšného výběru a využití.

Proč robustní vozidla potřebují specializované, vysoce přesné ovládací prvky

Robustní vozidla často pracují v nebezpečných prostředích, kde je vyžadováno přesné ovládání. Ovládací prvky těchto vozidel proto musí být vysoce přesné a responzivní. Navíc tyto ovládací prvky operátora často potřebují být propojeny s několika palubními IoT senzory a automatizovanými řídicími systémy. Příklady aplikací zahrnují:

• Naklápěcí mechanismy vysokozdvižných vozíků: přesná detekce naklápěcího úhlu (tj. hlavní ovládací rukojeti) umožňuje bezpečné a efektivní manévrování, což je důležité zejména ve stísněných prostorách.
• Řazení převodových stupňů traktorů: hladké řazení minimalizuje opotřebení převodovky a zlepšuje spotřebu paliva.
• Systémy posunu pedálů: přesná měření umožňují optimální ovládání vozidla a zlepšují bezpečnostní funkce, jako je automatické snížení rychlosti a nouzové zastavení.

Spolehlivost je dalším konstrukčním požadavkem. V prostředích, jako jsou sklady a výrobní zařízení, mohou být ovládací prvky vystaveny znečišťujícím látkám, extrémním teplotám a fyzickému zneužívání.

A konečně, odolná vozidla jsou často prostorově omezena konstrukcí. Například vysokozdvižné vozíky jsou vysoce kompaktní, aby optimalizovaly manévrovatelnost ve skladových uličkách. Senzory pro robustní ovládací prvky vozidel musí být tedy obvykle co nejmenší.

Proč jsou lineární senzory s Hallovým efektem jedinečně vhodné pro robustní ovládání vozidel

Výběr vhodného senzoru pro robustní ovládací prvky ovládání vozidla může být obtížný kvůli požadavkům na odolnost, dlouhé zdvihy a malé velikosti. Lineární senzory s Hallovým efektem jsou dobrou volbou, protože se jedná o bezkontaktní technologii, která může sloužit milionům cyklů bez úprav. Kromě toho jsou k dispozici v kompaktních pouzdrech se snadnou montáží a nabízejí vynikající přesnost detekce polohy na krátkou vzdálenost.

Pro pochopení těchto výhod je užitečné nejprve prozkoumat Hallův efekt. Senzor s Hallovým efektem přivádí pevný stejnosměrný klidový proud podél jedné osy a přes tenký pás kovu nebo polovodiče, který se nazývá Hallův prvek. Je-li magnetické pole přivedeno kolmo na tok proudu, nosiče náboje jsou vychylovány Lorentzovou silou a hromadí se na opačných stranách Hallova prvku, čímž vytvářejí příčné elektrické pole nazývané Hallovo pole, a potenciál napříč prvkem nazývaný Hallovo napětí. Hallovo napětí je úměrné součinu proudu, magnetického pole a konstantě závislé na materiálu známé jako Hallův koeficient.

V lineárním senzoru může Hallův efekt vytvořit výstupní napětí úměrné vzdálenosti mezi Hallovým prvkem a magnetem. Výsledkem je vysoce přesné snímání polohy na krátké vzdálenosti s rychlou dobou odezvy.

Lineární senzor s Hallovým efektem určený pro robustní ovládání vozidel

Jako příklad výhod lineárních senzorů s Hallovým efektem lze uvést senzory polohy řady 20LHE od společnosti Vishay (obrázek 1). Mají krátký zdvih 10 mm a rychlost sledování 60 mm/s. Díky své linearitě, která lze specifikovat až na ±1 %, jsou velmi vhodné pro vysoce přesné ovládání vozidel.

Obrázek 1: lineární senzory polohy s Hallovým efektem řady 20LHE mají linearitu ±1 %. (Zdroj obrázku: Vishay)

Senzory řady 20LHE navržené pro provoz v náročných prostředích mají bezúdržbovou životnost více než 10 milionů cyklů. Senzory poskytují přesná měření v případě připojení napájení bez kalibrace nebo inicializace. Tyto senzory dále poskytují vynikající stabilitu bez driftu linearity. Statická hystereze je omezena na 0,1 % napájecího napětí, zatímco dynamická hystereze pouze na 0,25 %.

Senzory jsou namontovány pomocí příruby pro snadnou instalaci, jak je znázorněno na obrázku 2, přičemž hřídel může přečnívat 30 mm nad montážní plochou, aby bylo usnadnilo spojení s ovládacím mechanismem. Současně platí, že celkové rozměry senzorů řady 20LHE jsou pouhých 46 x 20,8 x 37 mm, což dovoluje jejich umístění do stísněných kabin vozidel.

Obrázek 2: senzory řady 20LHE jsou kompaktní a používají přírubovou konstrukci pro snadnou montáž. (Zdroj obrázku: Vishay)

Mechanická konstrukční kritéria pro lineární senzory s Hallovým efektem

Robustní ovládací prvky vozidel musejí nabízet vysokou spolehlivost v nekontrolovaných prostředích. Zohlednění schopnosti senzoru ovládání vozidla odolávat hrubému zacházení má tedy zásadní význam. V nepříznivých podmínkách jsou pravděpodobné fyzické nárazy, stejně jako vibrace ze zdrojů, jakými jsou motor vozidla a jeho odpružení. Senzory řady 20LHE nabízejí robustní fyzické provedení schopné odolávat vibracím až 20 g a nárazům až 50 g.

Senzory řady 20LHE jsou umístěny v odolném termoplastovém krytu, který odolává prachu, kapalinám a extrémním teplotám -40 °C až +85 °C. Modely s vratnou pružinou používají stupeň ochrany proti vnikání prostředí (IP) IP51; k dispozici jsou také vyšší stupně IP.

Stupeň krytí IP udává úroveň ochrany, kterou kryt poskytuje proti vnikání pevných předmětů (první číslice) a kapalin (druhá číslice). V případě krytí IP51 číslice 5 znamená, že kryt je chráněn proti vnikání prachu v množství, které je dostatečné k narušení normálního provozu zařízení, zatímco číslice 1 znamená, že kryt je chráněn proti svisle padajícím kapkám vody.

Elektrická konstrukční kritéria používání lineárních senzorů s Hallovým efektem

Náročná prostředí představují také elektromagnetická nebezpečí, včetně elektrostatických výbojů a nežádoucích interakcí mezi různými elektrickými a elektronickými systémy. Senzory řady 20LHE odolávají celé řadě takových nebezpečí. Zejména mohou odolávat přepětí +20 V a zpětnému napětí -10 V. Další specifikace prostředí jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: senzory řady 20LHE jsou navrženy tak, aby odolávaly fyzikálním a elektromagnetickým nebezpečím. (Zdroj obrázku: Vishay)

Pro správnou funkci musí být lineární senzor s Hallovým efektem spárován se zátěžovým odporem. Pro senzory řady 20LHE doporučuje společnost Vishay minimální odpor zátěže 1 kΩ.

Výběr lineárního senzoru s Hallovým efektem

Přesnost je prvním parametrem, který je třeba vzít v úvahu, neboť senzor musí podporovat požadovanou přesnost regulace. V případě řady 20LHE nabízí společnost Vishay výběr ±2% linearity u modelu 20LHE1XWA1P30 nebo ±1% linearity u modelu 20LHE1AWA1P30.

Výstup by měl také odpovídat potřebám zbývající části řídicího systému. Typické možnosti zahrnují analogovou poměrovou nebo pulzně šířkovou modulaci (PWM). Senzory řady 20LHE jsou k dispozici v obou konfiguracích, přičemž výstup se zvyšuje nebo snižuje vzhledem k poloze senzoru. Například senzor 20LHE1AWB1P30 používá klesající analogový výstup, což znamená, že výstup dosahuje nejnižší hodnoty při plném stlačení hřídele senzoru (obrázek 3).

Obrázek 3: senzor 20LHE1AWB1P30 je k dispozici s analogovým klesajícím výstupem, který dosahuje minima při plném stlačení hřídele senzoru. (Zdroj obrázku: Vishay)

Za úvahu stojí také samotný hřídel. Například senzory řady 20LHE používají hřídel 3,175 mm, která může být volitelně opatřena závitem M3 x 6 mm. Taková konfigurace může zjednodušit instalaci a zajistit bezpečnější připojení k ovládacímu mechanismu.

Většina modelů senzorů řady 20LHE je vybavena vratnou pružinou. Tato pružina poskytuje samostředící mechanismus, který zajišťuje, že senzor se při odstranění síly, která jej přemístila, vrátí do původní polohy. Tato funkce může být přínosem pro aplikace řízení vozidla, jako jsou senzory polohy škrticí klapky, kde obsluha často aplikuje a uvolňuje vstupní síly. K dispozici jsou také senzory bez pružiny, například model 20LHE2AWA1P30.

Závěr

Lineární senzory s Hallovým efektem jako bezkontaktní řešení jsou ideální pro robustní ovládací prvky vozidel. Řada 20LHE dodávaná v kompaktním provedení používá přírubovou montáž pro snadnou instalaci. Senzory jsou také dostatečně odolné, aby vydržely náročné pracovní podmínky a poskytovaly stabilní a bezúdržbovou přesnost v situacích s fyzikálními a elektromagnetickými nebezpečími.