Auswahl und Einsatz eines linearen Positionssensors für robuste Fahrzeugsteuerungen

Mit dem Internet der Dinge (IoT) für die Fabrikautomation und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik in Fahrzeugen müssen Entwicklungsteams ihre Sensor-Optionen sorgfältig abwägen. Fahrzeuge wie Traktoren und Gabelstapler stellen besondere Anforderungen an die Konstruktion von Linearsensoren für Steuerungen. Diese Steuerungen müssen präzise, reaktionsschnell, zuverlässig und langlebig sein und extreme Temperaturen, Erschütterungen, Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit über viele Jahre hinweg mit minimalem Wartungsaufwand verkraften.

Eine Option, die die Anforderungen für diese Anwendungen erfüllt, ist der lineare Hall-Effekt-Sensor. Als berührungslose Option können diese Sensoren robust sein, um rauen Arbeitsbedingungen standzuhalten.

In diesem Artikel werden die Sensoranforderungen von Fahrzeugen und die Vorteile von linearen Hall-Effekt-Sensoren erläutert. Anschließend werden lineare Hall-Effekt-Sensoren von Vishay vorgestellt, um ihre Eigenschaften zu veranschaulichen und zu zeigen, wie sie erfolgreich ausgewählt und eingesetzt werden können.

Warum robuste Fahrzeuge spezielle, hochpräzise Steuerungen benötigen

Robuste Fahrzeuge werden oft in gefährlichen Umgebungen eingesetzt, in denen ein präziser Betrieb erforderlich ist. Daher müssen die Steuerungen für diese Fahrzeuge äußerst präzise und reaktionsschnell sein. Darüber hinaus müssen diese Bedienelemente oft mit mehreren IoT-Sensoren und automatisierten Kontrollsystemen an Bord verbunden werden. Zu den Beispielanwendungen gehören:

• Gabelstapler-Lenkstangen: Die genaue Erfassung des Lenkstangenwinkels (d. h. des Hauptsteuergriffs) ermöglicht ein sicheres und effizientes Manövrieren, was besonders in engen Räumen wichtig ist.
• Traktor-Gangschaltungen: Sanfte Gangwechsel minimieren den Verschleiß des Getriebes und verbessern die Kraftstoffeffizienz.
• Pedalverschiebungssysteme: Präzise Messungen ermöglichen eine optimale Fahrzeugkontrolle und verbessern Sicherheitsfunktionen wie automatische Geschwindigkeitsreduzierung und Notstopp.

Zuverlässigkeit ist eine weitere Designanforderung. In Umgebungen wie Lagern und Produktionsstätten können die Steuerungen Verunreinigungen, extremen Temperaturschwankungen und physischem Missbrauch ausgesetzt sein.

Schließlich sind robuste Fahrzeuge oft konstruktionsbedingt platzbeschränkt. Zum Beispiel sind Gabelstapler sehr kompakt, um die Manövrierfähigkeit in den Lagergängen zu optimieren. Daher müssen die Sensoren für robuste Fahrzeugsteuerungen in der Regel so klein wie möglich sein.

Warum lineare Hall-Effekt-Sensoren für robuste Fahrzeugsteuerungen besonders geeignet sind

Die Auswahl eines geeigneten Sensors für robuste Fahrzeugsteuerungen kann sich aufgrund der erforderlichen Haltbarkeit, der großen Hubabstände und der geringen Größe schwierig gestalten. Lineare Hall-Effekt-Sensoren sind eine gute Option, da sie eine berührungslose Technologie sind, die Millionen von Zyklen ohne Nachjustierung durchlaufen kann. Darüber hinaus sind sie in kompakten, leicht zu montierenden Gehäusen erhältlich und bieten eine hervorragende Präzision für die Positionserfassung im Nahbereich.

Um diese Vorteile zu verstehen, ist es hilfreich, zunächst den Hall-Effekt zu untersuchen. Bei einem Hall-Effekt-Sensor wird ein fester Gleichstrom entlang einer Achse und über einen dünnen Metall- oder Halbleiterstreifen, das so genannte Hall-Element, angelegt. Wenn ein Magnetfeld senkrecht zum Stromfluss angelegt wird, werden die Ladungsträger durch die Lorentz-Kraft abgelenkt und sammeln sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Hall-Elements, wodurch ein transversales elektrisches Feld, das so genannte Hall-Feld, und ein Potenzial über dem Element, die so genannte Hall-Spannung, entstehen. Die Hall-Spannung ist proportional zum Produkt aus Stromstärke, Magnetfeld und einer materialabhängigen Konstante, dem Hall-Koeffizienten.

In einem linearen Sensor kann der Hall-Effekt eine Ausgangsspannung erzeugen, die proportional zum Abstand zwischen dem Hall-Element und einem Magneten ist. Dies führt zu einer hochpräzisen Positionserfassung über kurze Distanzen mit schnellen Reaktionszeiten.

Ein linearer Hall-Effekt-Sensor für robuste Fahrzeugsteuerungen

Die Positionssensoren der Serie 20LHE von Vishay (Abbildung 1) sind ein Beispiel für die Vorteile von linearen Hall-Effekt-Sensoren. Sie haben einen kurzen Hub von 10 Millimetern (mm) und eine Nachführgeschwindigkeit von 60 mm pro Sekunde (mm/s). Aufgrund ihrer Linearität, die bis zu ±1% spezifiziert werden kann, sind sie für hochpräzise Fahrzeugsteuerungen gut geeignet.

Abbildung 1: Die linearen Hall-Effekt-Positionssensoren der Serie 20LHE weisen eine Linearität von ±1% auf. (Bildquelle: Vishay)

Die Sensoren der Serie 20LHE sind für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt und haben eine wartungsfreie Lebensdauer von über 10 Millionen Zyklen. Die Sensoren liefern genaue Messungen, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, ohne kalibriert oder initialisiert werden zu müssen. Darüber hinaus bieten diese Sensoren eine hervorragende Stabilität ohne Linearitätsdrift. Die statische Hysterese ist auf 0,1 % der Versorgungsspannung begrenzt, während die dynamische Hysterese nur 0,25 % beträgt.

Die Sensoren sind für eine einfache Installation flanschmontierbar, wie in Abbildung 2 dargestellt, und die Welle kann 30 mm aus der Montagefläche herausragen, um die Verbindung mit dem Kontrollmechanismus zu erleichtern. Gleichzeitig betragen die Gesamtabmessungen eines Sensors der Serie 20LHE nur 46 x 20,8 x 37 mm, so dass die Komponente auch in engen Fahrzeugkabinen Platz findet.

Abbildung 2: Die Sensoren der Serie 20LHE sind kompakt und verfügen über ein Flanschdesign für eine einfache Montage. (Bildquelle: Vishay)

Mechanische Konstruktionsüberlegungen für lineare Hall-Effekt-Sensoren

Robuste Fahrzeugsteuerungen müssen in unkontrollierten Umgebungen eine hohe Zuverlässigkeit bieten. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Fähigkeit eines Fahrzeugkontrollsensors zu berücksichtigen, rauer Behandlung standzuhalten. Unter rauen Bedingungen sind physische Einwirkungen wahrscheinlich, ebenso wie Vibrationen von Quellen wie dem Fahrzeugmotor und der Aufhängung. Die Sensoren der Serie 20LHE bieten ein robustes Design, das Vibrationen bis zu 20 g und Stößen bis zu 50 g standhält.

Die Sensoren der Serie 20LHE sind in einem robusten thermoplastischen Gehäuse untergebracht, das Staub, Flüssigkeiten und extremen Temperaturen von -40°C bis +85°C standhält. Die Modelle mit Federrückstellung haben eine Schutzart von IP51; höhere Schutzarten sind ebenfalls erhältlich.

Die IP-Schutzart gibt den Schutzgrad an, den ein Gehäuse gegen das Eindringen von festen Gegenständen (erste Ziffer) und Flüssigkeiten (zweite Ziffer) bietet. Bei IP51 bedeutet 5, dass das Gehäuse gegen das Eindringen von Staub in einer Menge geschützt ist, die ausreicht, um den normalen Betrieb des Geräts zu beeinträchtigen, während 1 bedeutet, dass das Gehäuse gegen senkrecht fallende Wassertropfen geschützt ist.

Überlegungen zum elektrischen Design bei der Verwendung linearer Hall-Effekt-Sensoren

Harsche Umgebungen bergen auch elektromagnetische Gefahren, einschließlich elektrostatischer Entladungen und unbeabsichtigter Wechselwirkungen zwischen verschiedenen elektrischen und elektronischen Systemen. Die Serie 20LHE ist für ein breites Spektrum solcher Gefahren ausgelegt. Vor allem können sie einer Überspannung von +20 Volt und einer Sperrspannung von -10 Volt widerstehen. Weitere umweltbezogene Spezifikationen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Die Serie 20LHE ist so konzipiert, dass sie physikalischen und elektromagnetischen Gefahren standhält. (Bildquelle: Vishay)

Ein linearer Hall-Effekt-Sensor muss mit einem Lastwiderstand gepaart werden, um korrekt zu funktionieren. Für die Serie 20LHE empfiehlt Vishay eine Mindestlast von 1 Kiloohm (kΩ).

Auswahl eines linearen Hall-Effekt-Sensors

Die Genauigkeit ist der erste zu berücksichtigende Parameter, da der Sensor die erforderliche Regelgenauigkeit unterstützen muss. Bei der Serie 20LHE bietet Vishay die Wahl zwischen ±2% Linearität mit dem 20LHE1XWA1P30 und ±1% Linearität mit dem 20LHE1AWA1P30.

Der Ausgang sollte auch den Anforderungen des übrigen Steuerungssystems entsprechen. Typische Optionen sind analoge ratiometrische Messungen oder Pulsweitenmodulation (PWM). Die Serie 20LHE ist in beiden Konfigurationen erhältlich, wobei das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Sensorposition ansteigt oder abfällt. Der 20LHE1AWB1P30 hat beispielsweise ein analog abnehmendes Ausgangssignal, d. h. das Ausgangssignal ist am kleinsten, wenn die Sensorwelle vollständig zusammengedrückt ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der 20LHE1AWB1P30 ist mit einem analog abfallenden Ausgangssignal erhältlich, das sein Minimum erreicht, wenn die Sensorwelle vollständig zusammengedrückt ist. (Bildquelle: Vishay)

Die Welle selbst ist zu beachten. Die Serie 20LHE hat zum Beispiel eine 3,175 mm lange Welle, die optional mit einem M3x6-mm-Gewinde versehen werden kann. Eine solche Konfiguration kann die Installation vereinfachen und eine sicherere Verbindung mit dem Kontrollmechanismus bieten.

Die meisten Modelle der Serie 20LHE sind mit einer Federrückstellung ausgestattet. Diese Feder sorgt für einen Selbstzentrierungsmechanismus, der sicherstellt, dass der Sensor in seine ursprüngliche Position zurückkehrt, wenn die Kraft, die ihn verschoben hat, entfernt wird. Diese Funktion kann für Fahrzeugsteuerungsanwendungen wie z. B. Drosselklappenstellungssensoren von Vorteil sein, bei denen der Bediener häufig Eingangskräfte aufbringt und wieder freigibt. Es sind auch Modelle ohne Feder, wie der 20LHE2AWA1P30, erhältlich.

Fazit

Als berührungslose Option eignen sich lineare Hall-Effekt-Sensoren hervorragend für robuste Fahrzeugsteuerungen. Die Serie 20LHE hat einen kompakten Formfaktor und ist für eine einfache Installation mit einem Flansch ausgestattet. Sie sind außerdem robust genug, um rauen Arbeitsbedingungen standzuhalten, und bieten stabile, wartungsfreie Präzision trotz physikalischer und elektromagnetischer Gefahren.