Мы долго ждали, и теперь он широко применяется практически во всех сферах — искусственный интеллект (ИИ). От автоматических заводов, легковых и грузовых автомобилей до роботов-шоферов мы теперь видим, как ИИ делает автоматизированные системы более эффективными, прибыльными и улучшает нашу жизнь. И в центре этих систем и автомобилей — их способность точно измерять положение и движение.
Существует много способов измерения положения, но одной из быстрорастущих технологий является индуктивный датчик положения. Точность, помехоустойчивость и экономическая эффективность являются одними из преимуществ этой технологии. Ниже, описываются некоторые ошибочные представления об индуктивных датчиках положения в сравнении с другими технологиями измерения положения, такими как эффект Холла и магниторезистивные датчики.
Индуктивные датчики используют индукцию для измерения положения
Название может сбивать с толку, но на самом деле индуктивные датчики не измеряют индуктивность. Вместо этого они используют электромагнитную индукцию магнитного поля в металлическом объекте вместе с известными свойствами трансформатора с воздушным сердечником и законом Фарадея для точного определения местоположения возмущения магнитного поля объектом. Это может показаться сложным для многих из нас, кто забыл все, что мы изучали по теории электромагнитного поля в школе. Проще говоря, индуктивные датчики измеряют возмущение магнитного поля проводящего объекта.
Кроме того, это магнитное поле не создается постоянным магнитом, который необходим для датчиков Холла и магниторезистивных датчиков. Оно генерируется первичной обмоткой трансформатора (рисунок ниже).
Две вторичные обмотки используются для обнаружения данного магнитного поля, и, как и в случае с трансформатором, мы используем закон Фарадея для преобразования этого поля в напряжение. Внутри металлического объекта, помещенного в магнитное поле, будут протекать вихревые токи, которые противодействуют магнитному полю, и уменьшают напряженность поля до нуля в объекте. Располагаясь в разных местах, две приемные катушки будут обнаруживать различное напряжение. Положение цели можно рассчитать, просто рассчитав соотношение этих двух напряжений вторичной катушки.
Индуктивные датчики положения имеют большую погрешность
Этот миф легко развеять, потому что индуктивные датчики положения очень точны, особенно при высоких температурах, когда другие системы на основе магнитов имеют проблемы. Основная причина точности индуктивных датчиков положения заключается в том, что они не зависят от нелинейной природы постоянного магнита. Вместо этого они просто «ищут» возмущения самогенерируемого магнитного поля.
Таким образом, погрешности меньше ± 0,1% по всему диапазону измерений могут быть достигнуты при комнатной температуре. Погрешности меньше ± 0,3% достижимы при той же температуре и с изменениями воздушного зазора между объектом измерения и датчиком. Кроме того, полный алгоритм предназначен либо для устранения колебаний температуры, либо для минимизации ее влияния.
Например, индуктивный датчик положения будет возбуждать магнитное поле с частотой от 1 до 6 МГц, при использовании LC генератор. Хотя обе эти величины могут изменяться вместе с температурой, это не влияет на положение.
Причина заключается в том, что вторичные приемные каналы используют синхронную демодуляцию (рисунок ниже), которая является функцией первичного генератора. Этот дрейф не повлияет на амплитуду принимаемых сигналов. Кроме температуры, металлические предметы возле датчика могут влиять на магнитное поле.
В результате требуется определенный уровень калибровки, но калибровка не изменяется в зависимости от температуры. Например, LX3302A от Microchip Technology использует восемь калибровочных сегментов. Кроме того, 13-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и 32-разрядные процессоры помогают устранить любые ошибки вычисления и квантования, обеспечивая 12-разрядное разрешение на выходе в диапазоне измерений.
Индуктивные датчики положения дорогие
Довольно редко можно получить лучшее из обоих миров — высокую производительность при разумных затратах, но и индуктивные датчики попадают в этот диапазон. В то время как датчики Холла и магниторезистивные датчики требуют, чтобы постоянный магнит был изготовлен с надлежащим допуском и прочностью для получения необходимой точности, индуктивные датчики нуждаются только в «куске металла» в качестве измерительного объекта, сохраняя пользователю цену магнита.
Хотя печатная плата должна быть больше для маршрутизации дорожек датчиков, она обычно стоит значительно дешевле, чем магнит. И если у вас есть дополнительное место на печатной плате, эта часть может быть и вовсе бесплатной. Таким образом, индуктивный датчик положения является более экономичным решением по сравнению с решениями Холла и магниторезистивными сенсорами, поскольку он обеспечивает измерение магнитного поля без магнита.
Индуктивные датчики положения чувствительны к внешнему магнитному полю
Современные автоматы создают больше случайных магнитных полей, чем когда-либо прежде, вызывая проблемы с датчиками Холла и магниторецепторами. Индуктивные датчики положения используют активную демодуляцию, чтобы отфильтровать поля рассеяния (рисунок ниже).
Электромобили следующего поколения могут иметь рабочий ток в несколько сотен ампер, идущих от аккумуляторов к тяговому электродвигателю. Кроме того, большинство автомобилей имеют более трех бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC) для обеспечения движения автомобиля, электронное рулевое управление с усилителем и вспомогательный тормозной двигатель. Все эти системы генерируют магнитные поля рассеяния.
Из-за быстрого нарастания паразитных магнитных полей новые спецификации требуют большего количества испытаний на устойчивость к сильным магнитным полям. В автомобильной промышленности автомобильная электроника в настоящее время подвергается воздействию поля постоянного тока в 4 мТл при оценке электромагнитной совместимости (EMC) и дает ложные показания в любом из критичных для безопасности датчиков — гидроусилитель руля, педаль акселератора, положение тягового электродвигателя.
Прелесть индуктивного определения положения в том, что оно невосприимчиво к этим шумам, потому что оно активно фильтрует только частоту, необходимую для восприятия. Поскольку индуктивные датчики положения не используют магнитный материал, они не воспринимают магнитное поле постоянного тока. Другими словами, закон Фарадея не работает для статического магнитного поля.
Кроме того, описанный выше синхронный демодулятор отфильтровывает другие частоты выше и ниже основной частоты возбуждения, почти так же, как вы можете выбрать одну радиостанцию AM, когда антенна принимает всю полосу AM. Такой же тип фильтрации невозможен при использовании эффекта Холла и магниторезистивных датчиков.
Индуктивное определение положения — новая технология
Индуктивные датчики положения используют печатную плату в качестве сенсора и кусок металла в качестве цели измерения. Хотя это может быть новым способом реализации измерения, технология хорошо известна. Линейный дифференциальный трансформатор напряжения (LVDT) очень близок к индуктивному измерению положения. LVDT будет использовать первичную обмотку и две вторичные обмотки для определения положения металлического вала в роботизированных приложениях (рисунок ниже).
Индуктивные датчики положения используют многие из тех же методов, чтобы уменьшить обмотки до просто печатной платы. Магнитные резольверы, вращающаяся версия LVDT, также используют аналогичные методы. Еще раз, вместо металлической структуры, похожей на трансформатор, индуктивные датчики положения выполняют ту же функцию, которую можно достичь, используя дорожки на печатной плате. Чтобы определить положение, LVDT, резольвер и индуктивные сенсоры принимают отношение двух напряжений, вызванное возмущением магнитного поля проводящим элементом.
Резервные индуктивные датчики требуют вдвое больше места
Важные автомобильные и промышленные приложения часто нуждаются в резервировании питания для обеспечения высочайшего уровня безопасности. Оптимизируя слои печатной платы и некоторые интеллектуальные методы первичной обмотки, двойной датчик не требует двойного пространства на печатной плате. Вместо этого оба датчика могут находиться в одном и том же пространстве печатной платы (рисунок ниже). В этом случае они имеют одно и то же магнитное поле, и при этом обеспечивают гальваническую развязку. Вторичные устройства могут обращаться к двум микросхемам, которые затем выводят в независимую и резервную позиции, что повышает безопасность приложения.
Индуктивные датчики положения могут обрабатывать только небольшие линейные измерения
Индуктивные датчики положения способны измерять линейные перемещения самой разной длины. Наилучшая точность достигается, когда длина датчика близка к приблизительному желаемому диапазону измерения, поэтому выходное разрешение можно масштабировать по кратчайшему расстоянию. Длина датчика может варьироваться от 5 мм до 600 мм и более для практического применения. Любые ограничения по длине связаны со способностью генератора генерировать правильный резонансный LC сигнал. Во всех случаях принцип действия один и тот же: генерируется магнитное поле и обнаруживается возмущение. Линейные измерения являются несомненным преимуществом этой технологии, и чувствительность может быть достигнута с помощью единого принципа измерения во многих практических диапазонах измерений.
Альтернативно, для датчика Холла может потребоваться мультиплексирование нескольких датчиков Холла, когда магнит перемещается из одного места в другое. Кроссоверная обработка мультиплексирования сложна и может зависеть от температур. Индуктивный сенсор не страдает от этой трудности и может быть использован при линейном измерение, которое соответствует требованиям приложения.
Индуктивные датчики положения могут измерять только линейные перемещения
В то время как линейное измерение является определенным преимуществом этого метода, индуктивные датчики положения могут также измерять траектории объекта вращения и измерения движения по дуге с теми же преимуществами более высокой точности и лучшей помехоустойчивости. Педали автомобиля, воздушные или водяные клапаны и положение ротора — все это примеры датчиков, в которых можно использовать индуктивную технологию.
Думайте о поворотном датчике на 360 градусов как о линейном сенсоре, концы которого изогнуты, чтобы они могли соприкасаться друг с другом. Оказывается, что поворотные индуктивные датчики положения являются наиболее точными, потому что генерируемое магнитное поле может быть очень однородным при любом радиусе. Благодаря этой технологии возможны линейные, дуговые и вращательные измерения.
Материал объекта измерения должен быть магнитным
Индуктивный датчик положения обнаруживает изменение магнитного поля, и это магнитное поле возбуждается металлическим объектом, но магнитный материал не требуется. Все, что проводит ток, позволяя протекать индуцированному вихревому току, будет вызывать это возмущение (рисунок ниже). Магнитные материалы, такие как железо, являются токопроводящими, поэтому их также можно использовать. Однако целевой металл будет иметь лучшее расстояние обнаружения и меньший ток питания, если он изготовлен из хорошего проводника, такого как медь, алюминий или сталь.
Индуктивные датчики положения должны иметь строго запрограммированную входную мощность
В автомобиле многие измерительные приложения находятся в модулях, которые соединены с блоками управления двигателя с помощью набора проводов. Для датчика это обычно состоит из линии питания, линии заземления и выходного контакта. Возможность калибровки модуля по ножке питания гарантирует, что дополнительные подключения к плате датчика не требуются, что экономит затраты и уменьшает проблемы при сборке.
Однако для некоторых приложений требуется микроконтроллер. Именно здесь встроенные приложения хотели бы запрограммировать датчик с помощью другого микроконтроллера, а не специальной тестовой системы. Микросхема LX3302A имеет эту функцию и возможность, позволяющую программировать ее через контакты GPIO.
Вы сами себе разработчик
Не так давно для получения хороших результатов требовалось глубокое знание теории магнитных полей и доступ к высококлассному пакету моделирования с конечными элементами или множество проб и ошибок. Сегодня поставщики микросхем предоставляют эту услугу своим клиентам с оценочными платами и наборами, которые переносят вас от концепции к реальному моделированию и трассировки печатных плат. Некоторые поставщики даже предоставляют результаты моделирования, оценивающие ошибку, которую вы будете иметь с датчиком, до тестирования печатной платы. Microchip предлагает эту помощь, чтобы помочь вам с проектами печатных плат.
Приведенные выше 11 мифов показывают, как индуктивные датчики положения сравниваются с датчиками Холла и магниторезистивными датчиками, демонстрируя точность, устойчивость к паразитным магнитным шумам и экономическую эффективность. Готовы ли вы попробовать эту технологию с вашим следующим продуктом для определения положения с помощью искусственного интеллекта?
И короткое видео о принципе работы и устройстве индуктивных датчиков:
