Valg og anvendelse af en lineær positionssensor til robuste køretøjsstyringer

Med Internet of Things (IoT) til fabriksautomatisering og den stigende brug af elektronik i køretøjer skal designere nøje overveje deres sensormuligheder. Køretøjer som traktorer og gaffeltrucks giver unikke designudfordringer, når det gælder lineære sensorer til styringer. Disse styringer skal være præcise, responsive, pålidelige og holdbare, så de kan klare ekstreme temperaturer, stød, vibrationer, støv og fugt i mange år med minimal vedligeholdelse.

En mulighed, der opfylder kravene til disse applikationer, er den lineære Hall-effektsensor. Som en berøringsfri løsning kan disse sensorer gøres robuste, så de kan modstå barske arbejdsforhold.

Denne artikel diskuterer kravene til sensorer i køretøjer, og hvad der gør lineære Hall-effektsensorer til en god løsning. Derefter præsenteres lineære Hall-effektsensorer fra Vishay for at illustrere deres egenskaber, og hvordan man vælger og anvender dem med succes.

Hvorfor robuste køretøjer har brug for specialiserede, højpræcisionsstyringer

Robuste køretøjer kører ofte i farlige miljøer, hvor præcis betjening er en nødvendighed. Derfor skal styringen af disse køretøjer være meget præcis og responsiv. Desuden skal disse operatørkontroller ofte fungere sammen med flere on-board IoT-sensorer og automatiserede kontrolsystemer. Eksempler på anvendelser omfatter:

• Styrestænger til gaffeltrucks: Nøjagtig registrering af styrestangens vinkel (dvs. hovedhåndtaget) muliggør sikker og effektiv manøvrering, hvilket er særligt vigtigt på trange steder.
• Traktorens gearskift: Jævne gearskift minimerer slitage på transmissionen og forbedrer brændstofeffektiviteten.
• Systemer til pedalforskydning: Præcise målinger giver optimal kontrol over køretøjet og forbedrer sikkerhedsfunktioner som automatisk hastighedsreduktion og nødstop.

Pålidelighed er et andet designkrav. I miljøer som lagerbygninger og produktionsanlæg kan betjeningselementerne blive udsat for forurening, ekstreme temperaturer og fysisk misbrug.

Endelig er robuste køretøjer ofte konstrueret med begrænset plads. For eksempel er gaffeltrucks meget kompakte for at optimere manøvredygtigheden i lagergangene. Derfor skal sensorerne til robuste køretøjsstyringer typisk være så små som muligt.

Hvorfor lineære Hall-effektsensorer er særligt velegnede til robuste køretøjsstyringer

Det kan være svært at vælge en passende sensor til robuste køretøjsstyringer på grund af behovet for holdbarhed, lange slaglængder og lille størrelse. Lineære Hall-effektsensorer er en god mulighed, fordi de er en berøringsfri teknologi, der kan fungere i millioner af cyklusser uden justeringer. Derudover fås de i kompakte pakker, der er nemme at montere, og de giver fremragende præcision til positionsdetektering på kort afstand.

Det er nyttigt først at undersøge Hall-effekten for at forstå disse fordele. En Hall-effektsensor anvender en fast DC-forspændingsstrøm langs en akse og over en tynd strimmel af metal eller halvleder kaldet Hall-elementet. Når et magnetfelt påføres vinkelret på strømmen, afbøjes ladningsbærerne af Lorentz-kraften og akkumuleres på modsatte sider af Hall-elementet, hvilket skaber et tværgående elektrisk felt kaldet Hall-feltet og et potentiale på tværs af elementet kaldet Hall-spændingen. Hall-spændingen er proportional med produktet af strømmen, magnetfeltet og en materialeafhængig konstant kendt som Hall-koefficienten.

I en lineær sensor kan Hall-effekten skabe en udgangsspænding, der er proportional med afstanden mellem Hall-elementet og en magnet. Det resulterer i en meget nøjagtig positionsmåling over korte afstande med hurtige responstider.

En lineær Hall-effektsensor designet til robuste køretøjskontroller

Positionssensorerne i 20LHE-serien fra Vishay (figur 1) er et eksempel på fordelene ved lineære Hall-effektsensorer. De har en kort slaglængde på 10 millimeter (mm) og en sporingshastighed på 60 mm pr. sekund (mm/s). De er velegnede til højpræcisionsstyring af køretøjer på grund af deres linearitet, som kan specificeres så lavt som ±1 %.

Figur 1: De lineære Hall-effekt-positionssensorer i 20LHE-serien har en linearitet på ±1 %. (Billedkilde: Vishay)

Sensorerne i 20LHE-serien er designet til at fungere i barske miljøer og har en vedligeholdelsesfri levetid på over 10 millioner cyklusser. Sensorerne giver nøjagtige målinger, når der sættes strøm til uden kalibrering eller initialisering. Derudover giver disse sensorer fremragende stabilitet uden afvigelser i lineariteten. Statisk hysterese er begrænset til 0,1 % af forsyningsspændingen, mens dynamisk hysterese kun er 0,25 %.

Sensorerne er flangemonteret for nem installation, som vist i figur 2, og akslen kan gå 30 mm ud fra monteringsfladen for at lette forbindelsen til kontrolmekanismen. Samtidig er de samlede mål for en sensor i 20LHE-serien kun 46 x 20,8 x 37 mm, hvilket gør det muligt at få plads til enheden i trange køretøjskabiner.

Figur 2: Sensorerne i 20LHE-serien er kompakte og har et flangemonteret design for nem montering. (Billedkilde: Vishay)

Mekaniske designovervejelser for lineære Hall-effektsensorer

Robuste køretøjskontroller skal have høj pålidelighed i ukontrollerede omgivelser. Derfor er det afgørende at overveje, om en sensor til køretøjskontrol kan modstå hårdhændet behandling. Fysisk påvirkning er sandsynlig under barske forhold, og det samme er vibrationer fra kilder som køretøjets motor og affjedring. Sensorerne i 20LHE-serien har et robust fysisk design, der kan modstå vibrationer på op til 20 g og stød på op til 50 g.

Sensorerne i 20LHE-serien er indkapslet i et holdbart termoplastkabinet, der kan klare støv, væsker og ekstreme temperaturer på -40 °C til +85 °C. Modeller med fjederretur har en miljømæssig indtrængningsbeskyttelse (IP) på IP51; højere IP-klassificeringer er også tilgængelige.

En IP-klassificering angiver det beskyttelsesniveau, et kabinet giver mod indtrængen af faste genstande (første ciffer) og væsker (andet ciffer). I tilfælde af IP51 angiver 5, at kabinettet er beskyttet mod indtrængen af støv i en mængde, der er tilstrækkelig til at påvirke enhedens normale drift, mens 1 angiver, at kabinettet er beskyttet mod lodret faldende vanddråber.

Overvejelser om elektrisk design ved brug af lineære Hall-effektsensorer

Robuste miljøer indebærer også elektromagnetiske farer, herunder elektrostatiske udladninger og utilsigtet interaktion mellem forskellige elektriske og elektroniske systemer. 20LHE-serien kan modstå en lang række af sådanne farer. De kan især modstå en overspænding på +20 volt og en omvendt spænding på -10 volt. Andre miljøspecifikationer er angivet i tabel 1.

Tabel 1: 20LHE-serien er designet til at modstå fysiske og elektromagnetiske farer. (Billedkilde: Vishay)

En lineær Hall-effektsensor skal parres med en belastningsmodstand for at fungere korrekt. For 20LHE-serien anbefaler Vishay en minimumsbelastning på 1 kilohm (kΩ).

Valg af en lineær Hall-effektsensor

Nøjagtighed er den første parameter, man skal overveje, da sensoren skal understøtte den nødvendige kontrolpræcision. For 20LHE-serien tilbyder Vishay et valg på enten ±2 % linearitet med 20LHE1XWA1P30 eller ±1 % linearitet med 20LHE1AWA1P30.

Outputtet skal også passe til resten af kontrolsystemets behov. Typiske muligheder omfatter analog ratiometrisk eller pulsbreddemodulation (PWM). 20LHE-serien fås i begge konfigurationer, hvor udgangssignalet stiger eller falder i forhold til sensorens position. For eksempel har 20LHE1AWB1P30 et analogt faldende output, hvilket betyder, at outputtet er på sit laveste, når sensorakslen er helt komprimeret (figur 3).

Figur 3: 20LHE1AWB1P30 fås med et analogt faldende output, som når sit minimum, når sensorakslen er helt komprimeret. (Billedkilde: Vishay)

Selve akslen er værd at overveje. For eksempel har 20LHE-serien en aksel på 3,175 mm, som kan forsynes med et M3 x 6 mm gevind som ekstraudstyr. En sådan konfiguration kan forenkle installationen og give en mere sikker forbindelse til kontrolmekanismen.

De fleste modeller i 20LHE-serien er udstyret med en fjederretur. Denne fjeder giver en selvcentrerende mekanisme, der sikrer, at sensoren vender tilbage til sin oprindelige position, når den kraft, der forskubbede den, fjernes. Denne funktion kan være til gavn for køretøjsstyringsapplikationer som f.eks. gasspjældssensorer, hvor operatørerne ofte anvender og frigiver inputkræfter. Modeller uden fjeder, såsom 20LHE2AWA1P30, er også tilgængelige.

Konklusion

Som en berøringsfri løsning passer lineære Hall-effektsensorer fremragende til robuste køretøjskontroller. 20LHE-serien har en kompakt formfaktor og er flangemonteret for nem installation. De er også holdbare nok til at modstå barske arbejdsforhold og levere stabil, vedligeholdelsesfri præcision i lyset af fysiske og elektromagnetiske farer.