Induktive motorposisjons-sensorer

I dagens verden er forventningene til maskiner høyere enn noen gang. Enten det er i fabrikker, hjemmene våre eller kjøretøyene vi kjører, forventer vi å kunne styre disse maskinene med høyt presisjonsnivå.

Utviklingen mot maskinautomatiserte oppgaver krever vanligvis fysisk bevegelse, ofte løst med minst én motor. Motorer finnes i roboter, heiser, biler og mange flere steder. For å sikre nytte og sikkerhet krever disse motorapplikasjonene presis styring og evnen til å bestemme en absolutt posisjon, som en forutsetning.

Presisjon i motorstyring er avhengig av nøyaktig og pålitelig deteksjon av en motors posisjon, som igjen avhenger av sensorteknologien som brukes. Moderne maskiner bruker induktive posisjonssensorer som tilbyr høye nivåer av posisjoneringsnøyaktighet.

Koderteknologi

Historisk sett har den foretrukne måten å oppdage motorposisjon vært å bruke magnetiske eller optiske kodere. Begge typer kodere er avhengige av forholdet mellom motorposisjonsendringer og hastigheten.

Magnetiske kodere

Mange typer magnetiske kodere er tilgjengelige og brukes. Til tross for noen forskjeller (inkludert størrelse og vekt), er de alle basert på variasjoner av det samme fenomenet: Magneter er festet til en bevegelig del av motoren, og når magnetene beveger seg i forhold til en magnetisk detektor, endres magnetfeltet i proporsjon til bevegelsen.

Avhengig av hvilken type magnetisk koder som brukes, vil tilgjengelig oppløsning, som påvirker presisjonen, variere og kan være lav – i størrelsesorden noen hundre pulser per omdreining (PPR). Nøyaktigheten til magnetiske kodere kan forbedres ved presis produksjon, men dette øker kostnadene.

Mange industrielle motorapplikasjoner kan være utsatt for høye nivåer av elektromagnetisk interferens (EMI) som kan gjøre magnetiske sensorer upålitelige eller til og med ubrukelige. Også ekstreme temperaturer vil ha en negativ effekt på nøyaktigheten.

 Optiske kodere

Som en alternativ teknologi skaper og registrerer optiske kodere lyspulser. Her er en motor utstyrt med en skiveformet rist som har et klart og ugjennomsiktig mønster. Når risten snurrer, kan lyset skinne gjennom de klare sektorene, og skape en serie lyspulser. Disse pulsene detekteres av en fotodiode som ivaretar bestemmelse av rotasjonshastigheten og posisjonen til motoren.

Ettersom optiske kodere er rent lysbasert, påvirkes de ikke av EMI eller magnetiske felt. Imidlertid kan de bli kompromittert av forurensninger som skitt, sot eller til og med fuktighet på platen som kan skjule de klare delene. De kan også bli negativt påvirket av ekstreme temperaturer.

Selv om de er kostbare, kan optiske kodere gi høy oppløsning samtidig som de gir utmerket nøyaktighet, forutsatt at de er riktig installert. Nøyaktigheten vil imidlertid ha en tendens til å avta når de brukes i høye hastigheter.

Strømbaserte induktive sensorer

En annen type motorposisjonssensor er en induktiv sensor. Induktive sensorer bruker også magneter for å operere, men er ikke avhengige av endringer i magnetfeltet. I stedet bruker de indusert strøm for å bestemme motordrift.

Med induktive sensorer registrerer en magnetisk deteksjonsenhet rotasjonen av tannhjul. Når tannhjulet roterer, beveger tennene seg forbi sensoren, og skaper dermed magnetisk fluks som igjen induserer en spenning i sensoren. Overvåking av spenningen gjør det mulig å bestemme hastigheten og rotasjonsretningen nøyaktig.

Denne teknologien er godt etablert, etter å ha vært brukt i flere tiår. Induktive sensorer pleier å være ganske enkle og derfor robuste og pålitelige. Dessuten er de upåvirket av vibrasjoner, temperaturvariasjoner og miljøforurensninger.

Induktive sensorer er blitt brukt mye i bilapplikasjoner på grunn av deres høye nivåer av pålitelighet og relativt lave kostnader. Imidlertid har moderne innovasjoner forbedret denne teknologien ytterligere.

Dobbel induktiv rotasjonssensor

En ny type motorposisjonssensor, basert på tradisjonelle induktive sensorer, er den doble induktive rotasjonssensoren. Disse nye komponentene fra onsemi er basert på et par med kretskort. Det første er en rotor med et par trykte induktorer, mens den andre er en stator som inkluderer trykte induktorer og en høy-ytelses koder-IC. Disse nye doble induktive posisjonssensorene oppfyller behovene til moderne applikasjoner, og tilbyr høyhastighetsdrift samtidig som de forblir svært nøyaktige.

onsemis NCS32100 har en utgang med en 20-bits enkeltsvingsoppløsning og en 24-bits flersvingsoppløsning. Basert på en 38 mm sensor, overstiger nøyaktigheten +/- 50 buesekunder ved hastigheter opp til 6000 RPM. Drift er mulig ved hastigheter opp til 100 000 RPM, om enn med noe redusert nøyaktighet. Som en absolutt (i stedet for inkrementell) koder, kan den innovative enheten gi posisjonsdata selv når rotoren står stille.

NCS32100-modulen har en innebygd, programmerbar M0+ - ARM® mikrokontroller (MCU) med fastvare. Med innebygd signalbehandling leverer NCS32100 posisjons- og hastighetsinformasjon på høyt nivå. Et høyt nivå av fleksibilitet og konfigurasjonsmuligheter muliggjør tilkobling til forskjellige typer induktive sensormønstre.

Mekanisk er tilnærmingen ikke kompleks, og krever få komponenter. Den er også enkel fra et elektrisk perspektiv og krever bare to eksterne kondensatorer for bypass og tuning.

I likhet med andre induktive sensorer er NCS32100 pålitelig, robust og sikker å bruke. Oppsett og bruk er også enkelt på grunn av plug-and-play-funksjoner, enkel kalibrering og avansert feilretting og diagnostikk.

Anvendelser

onsemis NCS32100 er spesielt tiltenkt og designet for bruk i krevende industrielle applikasjoner. Mens den reduserer de totale kostnadene betydelig sammenlignet med lignende optiske kodere, kan NCS32100 brukes til å erstatte og oppgradere middels og avanserte optiske kodere i applikasjoner inkludert industrielle motordrivere, fabrikkautomatiseringssystemer (FA) og en mengde annet industrielt utstyr.

Ved siden av behovet for presisjon, krever moderne applikasjoner langsiktig pålitelighet. onsemis NCS32100 doble induksjonsbaserte roterende posisjonssensor tilbyr enkelhet, redusert antall komponenter og forlenget levetid.

Om forfatteren:

Alessandro Maggioni er senior regional markedssjef i EMEA i onsemis ASG (Advanced Solutions Group). Han har mer enn 20 års erfaring i halvlederindustrien, og startet som applikasjonsingeniør, men har jobbet mest i markedsføringsroller.