Comment choisir et utiliser des capteurs angulaires pour la direction assistée, les moteurs et la robotique

Les usines et les véhicules étant de plus en plus automatisés, une détection précise et à faible latence de la vitesse et de la position de l'arbre moteur est essentielle pour le contrôle des processus, la fiabilité des systèmes et la sécurité. Pour répondre à ces besoins, les concepteurs ont besoin de capteurs d'angle de rotation rapides et précis, et suffisamment flexibles pour s'adapter aux variations du champ magnétique et au désalignement axial.

La tâche se corse pour les concepteurs avec les pressions constantes en termes de coûts et de temps. La nature des environnements de fonctionnement pour les applications industrielles et automobiles constitue aussi un défi, notamment à cause des huiles et des produits chimiques, des températures et des interférences électromagnétiques (EMI). Parmi les autres points à prendre en compte, citons l'usure et les configurations en constante évolution, qui requièrent un certain degré de flexibilité au sein même du dispositif de détection.

Cet article décrit le rôle des capteurs angulaires et montre comment les fonctionnalités de détection de la position (comme la vitesse et la faible latence) peuvent être personnalisées grâce à des combinaisons spécifiques d'entrée magnétique et d'élément de capteur. Il présente ensuite des exemples de solutions de capteurs d'AKM Semiconductor, d'Infineon Technologies et de Monolithic Power Systems, ainsi que leur implémentation.

Le rôle des capteurs angulaires

Les capteurs angulaires sont utilisés pour détecter les variations de position et de vitesse de l'arbre moteur pour la détection de l'angle de direction pour les automobiles et le contrôle haute précision des systèmes robotiques. Ils déterminent la position angulaire absolue d'un cylindre diamétralement aimanté sur un arbre en rotation, en détectant l'orientation d'un champ magnétique appliqué et en mesurant son sinus et son cosinus. Étant donné que l'arbre peut tourner à haute vitesse, il est essentiel que les données du capteur soient acquises et traitées rapidement, avec une latence minimale.

L'une des quatre technologies magnétiques suivantes est généralement utilisée : effet Hall, magnétorésistance anisotrope (AMR), magnétorésistance géante (GMR) et magnétorésistance à effet tunnel (TMR) (Figure 1). Lorsqu'ils utilisent l'une de ces technologies, les concepteurs doivent d'abord déterminer une distance convenable entre la surface de l'aimant et le capteur en s'appuyant sur des paramètres spécifiques comme les propriétés magnétiques, la spécification du capteur et les tolérances d'assemblage.

Figure 1 : Lorsqu'un aimant tourne sur un capteur TMR, la résistance de l'élément de détection change avec l'angle de rotation. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Cet entrefer doit être cohérent avec les paramètres comme la taille de l'aimant et sa rémanence, également appelée « aimantation résiduelle ». Les concepteurs doivent aussi s'assurer que les variations d'entrefer n'entraînent pas de champs magnétiques trop faibles ou trop élevés. Cela nécessite une sélection minutieuse de l'aimant approprié pour l'entrefer de l'application (Figure 2).

Figure 2 : Les concepteurs peuvent choisir une position aimant/capteur en fonction de points de conception comme le niveau requis d'immunité aux perturbations de champ externe et la tolérance à l'entrefer. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Cela dit, les capteurs angulaires prennent en charge une large gamme de configurations spatiales et d'intensités de champ magnétique, y compris le montage hors axe, sur axe latéral et en bout d'arbre. Pour aider à s'adapter aux variations, la mémoire non volatile sur puce est utilisée pour stocker les paramètres de configuration comme la position angulaire zéro de référence, les paramètres de codeur ABZ et les informations de phase pour les enroulements du moteur.

Ensuite, la capacité du dispositif à détecter différentes intensités de champ magnétique permet aux développeurs de personnaliser le capteur angulaire pour des fonctions spécifiques comme les diagnostics et la détection de mouvement axial. La disponibilité de seuils d'intensité de champ magnétique programmables facilite aussi l'implémentation d'une fonction de bouton-poussoir générée sous la forme de deux signaux logiques.

Toutefois, même si les fonctionnalités comme la vitesse, la faible latence et la résolution dépendent des exigences de l'application, la sécurité est au cœur des conceptions de capteurs angulaires. La conformité aux normes de sécurité fonctionnelle réaffirme l'engagement en faveur de la précision et d'environnements de conception automobile et industrielle fiables.

Répondre aux exigences de sécurité fonctionnelle

Les capteurs angulaires utilisés dans les applications automobiles nécessitent un degré élevé de précision, à 0,1°, pour assurer la conformité à la norme de sécurité fonctionnelle ISO 26262 face à un environnement de fonctionnement hautement exigeant. Les applications pour ces capteurs incluent la mesure de la position dans des moteurs CC sans balais (BLDC) pour les pompes, les essuie-glaces, les freins, les valves, les clapets, les pédales et l'angle de direction. La précision de 0,1° s'applique sur toute la plage de températures et pendant tout le cycle de vie du produit. Par ailleurs, à de faibles densités de flux magnétique, entre 10 milliteslas (mT) et 20 mT, où l'erreur d'angle augmente significativement, les capteurs angulaires dans les conceptions automobiles et industrielles doivent toujours atteindre des erreurs d'angle de 0,2° seulement.

En outre, les capteurs angulaires doivent être intégrés facilement dans des conceptions où la sécurité est essentielle, comme les systèmes de direction assistée électrique (EPS), qui sont cruciaux pour les fonctionnalités autonomes comme le stationnement automatisé et le maintien de la trajectoire.

Pour la simplicité d'utilisation, les capteurs angulaires XENSIV TLE5109 et TLE5014 d'Infineon sont disponibles en version à une ou deux puces, et intègrent à la fois les éléments de détection et les éléments logiques dans une puce simple (Figure 3). Les versions à deux puces sont mieux adaptées aux applications de sécurité ASIL-D.

Figure 3 : Vue latérale (à gauche) d'un capteur angulaire à deux puces (à droite) pour les applications à sécurité critique, utilisant un placement supérieur/inférieur pour réduire l'espace et économiser sur le coût en utilisant un aimant en ferrite peu coûteux. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Le TLE5109A16E2210XUMA1 fait partie d'une gamme qui contient des capteurs angulaires analogiques rapides AMR haute précision avec un angle d'erreur de 0,1°. Bien que les capteurs angulaires AMR soient conçus pour une mesure d'angle à 180°, ils se prêtent également aux mesures à 360° dans les moteurs dotés d'un nombre pair de paires de pôles, car l'élément de détection AMR mesure en fait l'angle double (sinus et cosinus) (Figure 4). Leur faible erreur d'angle les rend également adaptés à un large éventail de champs magnétiques, avec des densités de flux de 10 mT à plus de 500 mT.

Figure 4 : Le capteur angulaire AMR est conçu pour une mesure d'angle à 180°, mais peut également être utilisé pour des mesures à 360°, car il mesure à la fois les angles sinus et cosinus. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Les capteurs angulaires TLE5109 fonctionnent à partir d'alimentations de 3,3 volts ou 5 volts. Les autres fonctionnalités incluent un temps de démarrage court, compris entre 40 microsecondes (µs) et 70 µs, pour assurer une latence minimale et la prise en charge de vitesses de plus de 30 000 tours par minute.

Le TLE5014C16XUMA1 fait partie d'une gamme de capteurs GMR pouvant être programmés pour s'adapter à une large gamme d'applications en stockant la configuration requise dans une mémoire EEPROM intégrée (Figure 5). Ces capteurs décuplent la flexibilité et la facilité d'utilisation en offrant également un choix d'interfaces, notamment PWM, SENT, SPC et SPI.

Figure 5 : Les capteurs angulaires TLE5014 préconfigurés et pré-étalonnés peuvent être programmés pour s'adapter à n'importe quelle application utilisant une mémoire EEPROM intégrée. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Les capteurs angulaires TLE5014 consomment typiquement 25 milliampères (mA) à partir de tensions d'alimentation allant jusqu'à 26 volts (maximum absolu). Ils répondent par ailleurs aux normes ISO 26262 ASIL-C pour les versions à une puce et ISO 26262 ASIL-D pour les versions à deux puces.

Paramètres de performances clés

Pour exploiter pleinement la capacité des capteurs angulaires à réduire le bruit audible et à optimiser la fluidité et le couple moteur, les concepteurs doivent étudier avec soin les paramètres clés suivants : précision, vitesse, latence, désalignement axial et dérive de l'aimant.

Par exemple, des mesures haute précision sont cruciales pour les environnements automobiles et industriels, malgré des conditions environnementales difficiles. Les facteurs comme la stabilité thermique et la tolérance à l'entrefer sont donc primordiaux pour la capacité d'un capteur angulaire à répondre aux objectifs de précision sans augmenter les coûts ni la complexité de la conception du système.

Pour répondre à ces exigences à un coût minime, les capteurs de position magnétiques MagAlpha de Monolithic Power Systems (MA302GQ-P, MA702GQ-P/Z et MA730GQ-Z) peuvent être montés au bord de la carte pour les configurations en bout d'arbre et à arbre latéral (hors axe). Pour la vitesse, la détection sans contact et un codeur angulaire absolu avec une résolution de 12 bits permettent aux capteurs MA302 de fournir une mesure angulaire précise de 0 tr/min à 60 000 tr/min. Le capteur MagAlpha MA730GQ-Z affiche une résolution de 14 bits et offre des lectures numériques via la liaison SPI (Figure 6).

Figure 6 : Le capteur MagAlpha MA730GQ-Z sans contact affiche une résolution de 14 bits et offre des mesures numériques via la liaison SPI. (Source de l'image : Monolithic Power Systems)

Cependant, pour les fonctionnements lents comme une interface homme-machine (IHM) ou des commandes manuelles où la vitesse de rotation reste inférieure à 200 tr/min, l'entreprise propose le capteur magnétique numérique MagAlpha MA800 conçu pour remplacer les potentiomètres analogiques ou les commutateurs rotatifs. Il s'utilise avec un cylindre diamétralement aimanté de 2 millimètres (mm) à 8 mm, et les configurations et les formes de son aimant sont flexibles.

Le capteur MA800 affiche une résolution plus faible (8 bits), mais possède une mémoire non volatile sur puce et des seuils d'intensité de champ magnétique programmables. Ces caractéristiques le rendent adapté aux applications qui nécessitent l'implémentation de mesures avec bouton-poussoir via des bits de registre ainsi que des signaux de sortie.

Capteurs angulaires zéro latence

L'AK7451 est un capteur angulaire 12 bits qui détecte la vitesse et les angles de rotation en mesurant l'intensité d'un champ magnétique. Il inclut une combinaison d'aimants qui fonctionnent de manière parallèle à la surface du circuit intégré tout en offrant des vitesses de suivi allant jusqu'à 20 000 tr/min. Après avoir détecté un vecteur de champ magnétique parallèle à la surface du circuit intégré, il génère la position angulaire absolue de l'aimant, puis la position angulaire relative.

Le capteur AK7451 utilise une architecture de servosystème de suivi pour garantir une détection d'angle de rotation zéro latence. Le capteur angulaire zéro latence peut générer des phases d'enroulement UVW jusqu'à huit pôles (Figure 7), ce qui améliore considérablement sa polyvalence et lui permet de répondre à un large éventail d'applications de commande moteur et de codeur.

Figure 7 : Le capteur AK7451 permet aux concepteurs de programmer 16 paramètres de résolution de sortie ABZ et 8 paramètres d'indice d'impulsion de sortie UVW via la mémoire EEPROM. (Source de l'image : AKM Semiconductor)

De plus, l'extension du paramètre de résolution de sortie de phase ABZ de 4 types à 16 types améliore la simplicité d'utilisation de la commande moteur. Elle permet également aux capteurs angulaires AK7451 de faciliter la détection de la position du rotor en cas de fonctionnement avec un moteur CC sans balais, sans installation d'un circuit intégré à effet Hall.

Il est bon de mentionner ici que pour certaines applications de détection de position, la latence n'est pas un problème critique. Dans la détection de l'angle du volant pour la direction assistée électrique (EPS), par exemple, une nouvelle valeur angulaire est demandée toutes les millisecondes (ms). Il est également important de distinguer les erreurs causées par le circuit intégré du capteur de celles provoquées par l'entrée magnétique. Cela permet en effet d'utiliser le circuit intégré du capteur angulaire pour compenser les erreurs liées à l'entrée magnétique.

Conclusion

Même si la précision accrue et les formats plus compacts sont les fonctionnalités prédominantes des capteurs angulaires pour les applications automobiles et industrielles, la conformité aux normes de sécurité fonctionnelle conclut la proposition de valeur globale de ces dispositifs haute précision. Cependant, pour exploiter pleinement leurs capacités, les concepteurs doivent étudier avec soin les exigences spécifiques de l'application afin de bien comprendre les paramètres de performances requis, comme l'entrefer, l'intensité du champ magnétique, la vitesse de rotation et l'erreur d'angle.

Comme indiqué ici, une fois ces exigences établies, il existe une grande variété de capteurs sans contact qui offrent la précision, la vitesse et la flexibilité programmable nécessaires pour y répondre.