Valg og bruk av en lineær posisjonssensor for robuste kjøretøystyringer

Med tingenes internett (IoT) for fabrikkautomatisering og den økende bruken av elektronikk i kjøretøyer, må designere nøye vurdere sensoralternativene. Kjøretøy som traktorer og gaffeltrucker byr på unike designutfordringer når det gjelder lineære sensorer for styringer. Disse styringene må være presise, responsive, pålitelige og holdbare, takle ekstreme temperaturer, støt, vibrasjoner, støv og fuktighet i mange år med minimalt vedlikehold.

Ett alternativ som oppfyller kravene for disse utrustningene er den lineære Hall-effekt-sensoren. Som et kontaktløst alternativ kan disse sensorene være robuste for å tåle tøffe arbeidsforhold.

Denne artikkelen tar for seg sensorkravene til kjøretøy og hva som gjør lineære Hall-effekt-sensorer til et godt alternativ. Deretter presenteres lineære Hall-effekt-sensorer fra Vishay for å illustrere deres egenskaper og hvordan de kan velges og brukes.

Hvorfor robuste biler trenger spesialiserte styringer med høy presisjon

Robuste kjøretøyer opererer ofte i farlige miljøer der presis drift er en forutsetning. Dermed må styringene for disse kjøretøyene være svært nøyaktige og responsive. Dessuten må disse operatørkontrollene ofte samhandle med flere innebygde IoT-sensorer og automatiserte styringssystemer. Eksempel på utrustninger er:

• Styrehåndtak på elektriske jekketraller: Nøyaktig registrering av styrestangens vinkel (dvs. hovedhåndtaket) muliggjør sikker og effektiv manøvrering, noe som er spesielt viktig på trange steder.
• Girskifterer for traktorer: Myke girskift minimerer slitasje på girkassen og forbedrer drivstoffeffektiviteten.
• Systemer for pedalforskyvning: Nøyaktige målinger gir optimal styring over kjøretøyet og forbedrer sikkerhetsfunksjoner som automatisk fartsreduksjon og nødstopp.

Pålitelighet er et annet teknisk krav. I miljøer som lager- og produksjonsanlegg kan styringene utsettes for forurensninger, ekstreme temperaturer og fysisk mishandling.

Til syvende og sist, er robuste kjøretøyer ofte konstruert slik at de har begrenset plass. For eksempel er gaffeltruckenr og elektriske jekketraller svært kompakte for å optimalisere manøvreringen i lagergangene. Derfor må sensorene for robuste kjøretøystyringer vanligvis være så små som mulig.

Hvorfor lineære Hall-effekt-sensorer er unikt egnet til robuste kjøretøystyringer

Det kan være vanskelig å velge en egnet sensor for robuste kjøretøystyringer på grunn av behovet for holdbarhet, lang slaglengde og liten størrelse. Lineære Hall-effekt-sensorer er et godt alternativ fordi de er en kontaktløs teknologi som kan brukes i millioner av sykluser uten justeringer. I tillegg er de tilgjengelige i kompakte pakninger som er enkle å montere, og gir utmerket presisjon for posisjonsdeteksjon på kort avstand.

For å forstå disse fordelene er det nyttig først å se nærmere på Hall-effekten. En Hall-effekt-sensor tilfører en fast likestrøm langs en akse og over en tynn stripe av metall eller halvleder som kalles Hall-elementet. Når et magnetfelt påføres vinkelrett på strømmen, avbøyes ladningsbærerne av Lorentz-kraften og samler seg på hver sin side av Hall-elementet, noe som skaper et tverrgående elektrisk felt kalt Hall-feltet og et potensial over elementet kalt Hall-spenningen. Hall-spenningen er proporsjonal med produktet av strømmen, magnetfeltet og en materialavhengig konstant som kalles Hall-koeffisienten.

I en lineær sensor kan Hall-effekten skape en utgangsspenning som er proporsjonal med avstanden mellom Hall-elementet og en magnet. Dette gir svært nøyaktig posisjonsmåling over korte avstander med rask responstid.

En lineær Hall-effekt-sensor designet for robuste kjøretøystyringer

20LHE-serien posisjonssensorer fra Vishay (Figur 1) eksemplifiserer fordelene med lineære Hall-effekt-sensorer. De har en kort slaglengde på 10 mm og en sporingshastighet på 60 mm per sekund (mm/s). På grunn av sin linearitet, som kan spesifiseres så lavt som ±1 %, egner de seg godt til kjøretøystyring med høy presisjon.

Bilde 1: De lineære Hall-effekt-posisjonssensorene i 20LHE-serien har en linearitet på ±1 %. (Bildekilde: Vishay)

20LHE-serien sensorer er konstruert for bruk i krevende miljøer og har en vedlikeholdsfri levetid på over 10 millioner sykluser. Sensorene gir nøyaktige målinger når strømmen slås på uten kalibrering eller initialisering. I tillegg gir disse sensorene utmerket stabilitet uten drift av lineariteten. Statisk hysterese er begrenset til 0,1 % av forsyningsspenningen, mens dynamisk hysterese bare er 0,25 %.

Sensorene er flensmonterte for enkel installasjon, som vist i figur 2, og akselen kan strekke seg 30 mm ut fra monteringsflaten for å lette tilkoblingen til styringsmekanismen. Samtidig er de totale dimensjonene til en sensor i 20LHE-serien bare 46 x 20,8 x 37 mm, noe som gjør at enheten får plass i trange førerhus.

Figur 2: 20LHE-serien sensorer i er kompakte og flensmonterte for enkel montering. (Bildekilde: Vishay)

Mekaniske designhensyn for lineære Hall-effekt-sensorer

Robuste kjøretøystyringer må være svært pålitelige i ukontrollerte omgivelser. Det er derfor viktig å ta hensyn til om en sensor for kjøretøystyring tåler røff behandling. Fysisk påvirkning er sannsynlig under tøffe forhold, og det samme gjelder vibrasjoner fra kilder som kjøretøyets motor og hjuloppheng. 20LHE-serien sensorer har en robust fysisk utforming som tåler vibrasjoner på opptil 20 g og støt på opptil 50 g.

20LHE-serien sensorer er innkapslet i et slitesterkt termoplastkabinett som tåler støv, væsker og ekstreme temperaturer fra -40 °C til +85 °C. Modeller med fjærretur har en kapslingsgrad (IP) på IP51, men høyere IP-klassifiseringer er også tilgjengelig.

IP-klassifiseringen angir hvilket beskyttelsesnivå en kapsling har mot inntrengning av faste gjenstander (første siffer) og væsker (andre siffer). Når det gjelder IP51, indikerer 5 at kabinettet er beskyttet mot inntrengning av støv i en mengde som er tilstrekkelig til å påvirke enhetens normale drift, mens 1 indikerer at kabinettet er beskyttet mot vertikalt fallende vanndråper.

Elektriske designhensyn ved bruk av lineære Hall-effekt-sensorer

Robuste miljøer innebærer også elektromagnetiske farer, inkludert elektrostatiske utladninger og utilsiktet interaksjon mellom ulike elektriske og elektroniske systemer. 20LHE-serien tåler et bredt spekter av slike farer. Det viktigste er at de tåler en overspenning på +20 volt og en reversspenning på -10 volt. Andre miljøspesifikasjoner er oppført i tabell 1.

Tabell 1: 20LHE-serien er konstruert for å motstå fysiske og elektromagnetiske farer. (Bildekilde: Vishay)

En lineær Hall-effekt-sensor må pares med en belastningsmotstand for å fungere korrekt. For 20LHE-serien anbefaler Vishay en minimumsbelastning på 1 kilohm (kΩ).

Valg av lineær Hall-effekt-sensor

Nøyaktighet er den første parameteren som må vurderes, ettersom sensoren må støtte den nødvendige styringspresisjonen. Når det gjelder 20LHE-serien, tilbyr Vishay enten ±2 % linearitet med 20LHE1XWA1P30 eller ±1 % linearitet med 20LHE1AWA1P30.

Utgangen bør også være tilpasset behovene til resten av styringsystemet. Typiske alternativer er analog ratiometri eller pulsbreddemodulasjon (PWM). 20LHE-serien er tilgjengelig i begge konfigurasjoner, der utgangen øker eller reduseres i forhold til sensorens posisjon. For eksempel har 20LHE1AWB1P30 en analog avtagende utgang, noe som betyr at utgangen er på sitt laveste når sensorakselen er helt komprimert (figur 3).

Figur 3: 20LHE1AWB1P30 er tilgjengelig med en analog avtagende utgang, som når sitt minimum når sensorakselen er helt komprimert. (Bildekilde: Vishay)

Selve aksen bør også tas i betraktning. 20LHE-serien har for eksempel en 3,175 mm aksel som kan gjenges med en M3 x 6 mm gjenge. En slik konfigurasjon kan forenkle installasjonen og gi en sikrere tilkobling til styringsmekanismen.

De fleste modellene i 20LHE-serien er utstyrt med fjærretur. Denne fjæren gir en selvsentrerende mekanisme som sørger for at sensoren går tilbake til sin opprinnelige posisjon når kraften som forflyttet den fjernes. Denne funksjonen kan være til nytte for utrustninger for kjøretøystyring, for eksempel posisjonssensorer for gass (gasspjeld/gasspådrag), der operatørene ofte påfører og slipper inngangskrefter. Modeller uten fjær, som 20LHE2AWA1P30, er også tilgjengelig.

Konklusjon

Lineære Hall-effekt-sensorer er et berøringsfritt alternativ som passer utmerket til robuste kjøretøystyringer. 20LHE-serien har en kompakt formfaktor og er flensmontert for enkel installasjon. De er også holdbare nok til å tåle tøffe arbeidsforhold og leverer stabil, vedlikeholdsfri presisjon i møte med fysiske og elektromagnetiske farer.