Come scegliere e utilizzare i sensori angolari per servosterzo, motori e robotica

Dato il continuo sviluppo dell'automazione delle fabbriche e dei veicoli, per il controllo dei processi, l'affidabilità del sistema e la sicurezza è fondamentale poter contare sul rilevamento accurato e a bassa latenza della velocità e della posizione dell'albero motore. Per rispondere a queste esigenze, i progettisti hanno bisogno di sensori angolari rotativi veloci e precisi, sufficientemente flessibili per far fronte alle variazioni del campo magnetico e al disallineamento assiale.

A complicare il loro compito vi sono le immancabili pressioni in termini di costi e tempi, così come la natura degli ambienti operativi per le applicazioni industriali e automotive, che possono essere impegnativi in termini di prodotti chimici e oli, oltre a temperature ed EMI. Vi sono poi considerazioni come l'usura e le configurazioni in continua evoluzione che richiedono un certo grado di flessibilità al dispositivo di rilevamento.

Questo articolo descrive il ruolo dei sensori angolari e mostra come personalizzare caratteristiche di rilevamento della posizione come velocità e bassa latenza utilizzando combinazioni specifiche di ingresso magnetico e sensore. Introdurrà alcuni esempi di soluzioni prodotte da AKM Semiconductor, Infineon Technologies e Monolithic Power Systems e, per finire, ne illustrerà l'implementazione.

Il ruolo dei sensori angolari

I sensori angolari sono utilizzati per rilevare la posizione dell'albero motore e le variazioni di velocità per il rilevamento dell'angolo di sterzata delle automobili e il controllo ad alta precisione nei sistemi robotizzati. Determinano la posizione angolare assoluta di un cilindro magnetizzato diametralmente su un albero rotante, rilevando l'orientamento di un campo magnetico applicato e misurandone le componenti seno e coseno. Dato che l'albero potrebbe ruotare ad alta velocità, è fondamentale che i dati del sensore vengano acquisiti ed elaborati rapidamente, con una latenza minima.

Di solito si usa una delle quattro tecnologie magnetiche disponibili: effetto Hall, magnetoresistenza anisotropa (AMR), magnetoresistenza gigante (GMR) e magnetoresistenza a effetto tunnel (TMR) (Figura 1). Quando utilizzano una di queste tecnologie, i progettisti devono anzitutto stabilire una distanza adeguata dalla superficie del magnete al sensore in base a parametri specifici come le proprietà magnetiche, la specifica del sensore e le tolleranze di assemblaggio.

Figura 1: Quando un magnete viene fatto ruotare su un sensore TMR, la resistenza dell'elemento di rilevamento cambia con l'angolo di rotazione. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Questo traferro deve essere coerente con parametri quali la dimensione del magnete e l'induzione residua, nota anche come magnetizzazione residua. I progettisti devono inoltre assicurare che le variazioni del traferro non provochino campi magnetici troppo bassi o troppo alti. Di conseguenza, è necessario valutare attentamente il magnete appropriato per il traferro dell'applicazione (Figura 2).

Figura 2: I progettisti possono scegliere una posizione magnete-sensore dopo aver valutato ad esempio il livello richiesto di immunità ai disturbi del campo esterno e la tolleranza del traferro. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Fatta questa premessa, i sensori angolari possono supportare un'ampia gamma di configurazioni spaziali e di intensità del campo magnetico, comprese configurazioni di montaggio sia decentrata, laterale o in testa all'albero. Per facilitare l'accettazione delle variazioni, viene utilizzata la memoria non volatile su chip per memorizzare parametri di configurazione come la posizione dell'angolo zero di riferimento, le impostazioni dell'encoder ABZ e le informazioni di fase per gli avvolgimenti del motore.

Inoltre, la capacità del dispositivo di rilevare varie intensità di campo magnetico permette agli sviluppatori di personalizzare il sensore angolare per funzioni specifiche come la diagnostica e il rilevamento del movimento assiale. La disponibilità di soglie di intensità del campo magnetico programmabili facilita l'implementazione di una funzione pulsante push o pull emessa come due segnali logici.

Tuttavia, mentre caratteristiche come la velocità, la bassa latenza e la risoluzione dipendono dai requisiti dell'applicazione, quando si progettano sensori angolari il fattore determinante è la sicurezza. La conformità agli standard di sicurezza funzionale conferma ulteriormente l'impegno per ambienti di progettazione automotive e industriale attenti alla precisione e all'affidabilità.

Rispettare i requisiti di sicurezza funzionale

I sensori angolari utilizzati nelle applicazioni automotive richiedono un elevato grado di precisione - fino a 0,1° - per garantire la conformità allo standard di sicurezza funzionale ISO 26262 in ambienti operativi particolarmente difficili. Questi sensori vengono utilizzati, fra l'altro, per la misurazione della posizione in motori c.c. brushless (BLDC) per pompe, tergicristalli, freni, valvole, deflettori, pedali e angolo di sterzata. La precisione di 0,1° si applica all'intero intervallo di temperatura e ciclo di vita del prodotto. Inoltre, a basse densità di flusso magnetico, tra 10 e 20 mT, in cui l'errore angolare aumenta in modo significativo, i sensori angolari per progetti automotive e industriali devono mantenersi comunque entro errori angolari di appena 0,2°.

Devono anche poter essere integrati facilmente in progetti cruciali per la sicurezza, come i sistemi di servosterzo elettronico (EPS), che sono fondamentali per le caratteristiche richieste per i veicoli autonomi, come il parcheggio automatizzato e il mantenimento della corsia.

Per rispondere alla facilità d'uso, i sensori angolari XENSIV TLE5109 e TLE5014 di Infineon sono disponibili in versione a die singolo e doppio e integrano elementi di rilevamento e logici in un singolo chip (Figura 3). Le versioni a doppio die sono più idonee per applicazioni di sicurezza ASIL-D.

Figura 3: Vista laterale (a sinistra) di un sensore angolare a doppio die (a destra) per applicazioni critiche per la sicurezza che utilizza il posizionamento verticale alto-basso per ridurre lo spazio e risparmiare sui costi servendosi di un economico magnete di ferrite. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

TLE5109A16E2210XUMA1 fa parte di una linea che comprende sensori angolari analogici veloci ad alta precisione basati su AMR con un angolo di errore di 0,1°. Sebbene i sensori angolari basati su AMR siano progettati per la misurazione di angoli a 180°, sono applicabili anche per la misurazione a 360° nei motori con un numero pari di coppie di poli, perché l'elemento di rilevamento AMR misura di fatto il doppio angolo, seno e coseno (Figura 4). Il loro piccolo errore angolare li rende idonei anche per un'ampia gamma di campi magnetici, con densità di flusso che vanno da 10 mT a più di 500 mT.

Figura 4: Il sensore angolare basato su AMR è progettato per misurare angoli a 180° ma, misurando sia l'angolo del seno che quello del coseno, può essere usato anche per misurazioni fino a 360°. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

I sensori angolari TLE5109 operano con alimentazioni a 3,3 o 5 V. Altre loro caratteristiche sono un breve tempo di avvio compreso tra 40 µs e 70 µs per garantire una latenza minima e il supporto per velocità di oltre 30.000 giri al minuto.

TLE5014C16XUMA1 fa parte di una linea di sensori GMR che possono essere programmati per soddisfare diverse applicazioni memorizzando la configurazione richiesta nella EEPROM integrata (Figura 5). Questi sensori aumentano la flessibilità e la facilità d'uso offrendo anche una scelta di interfacce che comprende PWM, SENT, SPC e SPI.

Figura 5: La flessibilità dei sensori angolari TLE5014 preconfigurati e precalibrati permette di programmarli perché si adattino a qualsiasi applicazione utilizzando la EEPROM integrata. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

I sensori angolari TLE5014 assorbono in genere 25 mA da tensioni di alimentazione fino a 26 V (massimo assoluto) e soddisfano la norma ISO 26262 ASIL-C per la versione a die singolo e quella ISO 26262 ASIL-D per le versioni a die doppio.

Parametri chiave per le prestazioni

Per sfruttare appieno la capacità dei sensori angolari di ridurre la rumorosità e di ottimizzare la regolarità e la coppia del motore, i progettisti devono considerare attentamente i parametri chiave: precisione, velocità, latenza, disallineamento assiale e deriva del magnete.

Ad esempio, per gli ambienti automotive e industriali è imprescindibile poter contare su letture ad alta precisione anche in condizioni ambientali difficili. Di conseguenza, fattori come la stabilità termica e la tolleranza del traferro sono fondamentali per la capacità di un sensore angolare di raggiungere gli obiettivi di precisione senza aumentare i costi e la complessità di progettazione di un sistema.

Per rispondere a questi requisiti con dei costi minimi, i sensori di posizione magnetici MagAlpha MA302GQ-P, MA702GQ-P/Z e MA730GQ-Z di Monolithic Power Systems possono essere installati sul bordo della scheda sia per le configurazioni in testa all'albero che per quelle laterali (decentrate). Per la velocità, il rilevamento senza contatto e l'encoder angolare assoluto con risoluzione a 12 bit consentono ai sensori MA302 di fornire una misurazione accurata dell'angolo da 0 a 60.000 giri/min. MagAlpha MA730GQ-Z ha una risoluzione a 14 bit e offre letture digitali su collegamento SPI (Figura 6).

Figura 6: MagAlpha MA730GQ-Z senza contatto ha una risoluzione a 14 bit e offre letture digitali su collegamento SPI. (Immagine per gentile concessione di Monolithic Power Systems)

Tuttavia, per operazioni lente come quelle di interfacce uomo-macchina (HMI) o controlli manuali in cui la velocità di rotazione si mantiene al di sotto dei 200 giri/min, la società offre MagAlpha MA800, un sensore di campo magnetico digitale destinato a sostituire i potenziometri analogici o gli interruttori rotanti. Viene utilizzato con un cilindro magnetizzato diametralmente da 2 a 8 mm. Le configurazioni e le forme del suo magnete sono flessibili.

MA800 ha una risoluzione inferiore (8 bit) ma è dotato di memoria non volatile su chip e di soglie di intensità del campo magnetico programmabili. Risulta pertanto idoneo per applicazioni che richiedono l'implementazione di letture a pulsante tramite bit di registro e segnali di uscita.

Sensori angolari a latenza zero

AK7451 è un sensore angolare a 12 bit che rileva la velocità di rotazione e gli angoli misurando l'intensità di un campo magnetico. È dotato di una combinazione di magneti che operano in parallelo alla superficie del circuito integrato, offrendo una velocità di inseguimento fino a 20.000 giri/min. Dopo aver rilevato il vettore del campo magnetico parallelo alla superficie del circuito integrato, invia la posizione angolare assoluta del magnete e, successivamente, quella relativa.

AK7451 adotta l'architettura del servosistema di inseguimento per garantire il rilevamento dell'angolo di rotazione a latenza zero. Il sensore angolare a latenza zero può inviare fasi di avvolgimento UVW fino a otto poli (Figura 7), il che ne migliora notevolmente la versatilità, consentendone l'impiego per un'ampia gamma di applicazioni di comando di motori ed encoder.

Figura 7: AK7451 permette ai progettisti di programmare tramite EEPROM 16 impostazioni di risoluzione dell'uscita ABZ e otto impostazioni del numero di impulsi di uscita UVW. (Immagine per gentile concessione di AKM Semiconductor)

Inoltre, l'espansione dell'impostazione di risoluzione dell'uscita di fase ABZ da quattro a 16 tipi migliora la facilità d'uso di un controllo motori. Consente anche ai sensori angolari AK7451 di semplificare il rilevamento della posizione del rotore in presenza di motore c.c. brushless senza installare un circuito integrato a effetto Hall.

È opportuno ricordare che, per alcune applicazioni di rilevamento della posizione, la latenza non è un problema critico. Nel rilevamento dell'angolo di un volante dotato di servosterzo (EPS), ad esempio, viene richiesto un nuovo valore di angolo ogni millisecondo. È anche importante distinguere tra gli errori causati dal sensore in CI e l'ingresso magnetico, permettendo di utilizzare il sensore angolare in CI per compensare gli errori relativi all'ingresso magnetico.

Conclusione

Anche se le caratteristiche dei sensori angolari per applicazioni automotive e industriali sono improntate alla ricerca di una maggiore precisione e di fattori di forma più piccoli, la conformità agli standard di sicurezza funzionale riassume in sé l'intera proposta di valore di questi dispositivi ad alta precisione. Per sfruttarne però appieno le capacità, i progettisti devono considerare attentamente i requisiti specifici dell'applicazione per far chiarezza su parametri prestazionali come il traferro appropriato, l'intensità del campo magnetico, la velocità di rotazione e l'errore angolare.

Come è stato dimostrato, una volta stabiliti questi requisiti, è possibile scegliere tra un'ampia varietà di sensori senza contatto che forniscono la precisione, la velocità e la flessibilità programmabile necessarie per soddisfarli.