Lineaarisen asentoanturin valitseminen ja käyttö työajoneuvojen hallintalaitteissa

Kun esineiden Internetin (IoT) käyttö tehdasautomaatiossa ja elektroniikan käyttö ajoneuvoissa lisääntyy, suunnittelijoiden on harkittava huolellisesti anturivaihtoehtojaan. Traktoreiden ja haarukkatrukkien kaltaisissa ajoneuvoissa niiden hallintalaitteissa käytettävät lineaariset anturit sisältävät uniikkeja suunnitteluhaasteita. Näiden hallintalaitteiden on oltava tarkkoja, herkkiä, luotettavia ja kestäviä, ja niiden on selvittävä äärilämpötiloista, iskuista, tärinästä, pölystä ja kosteudesta useiden vuosien ajan mahdollisimman vähäisellä huollolla.

Yksi vaihtoehto, joka täyttää nämä sovellusvaatimukset, on lineaarinen Hall-anturi. Nämä anturit ovat kontaktittomia, joten ne voidaan vahvistaa kestämään haastavia työskentelyolosuhteita.

Tässä artikkelissa käsitellään ajoneuvojen mittausvaatimuksia ja syitä, jotka puoltavat lineaaristen Hall-antureiden käyttöä. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Vishay-yrityksen lineaarisia Hall-antureita, havainnollistetaan niiden ominaisuuksia sekä annetaan ohjeita niiden valintaan ja käyttöön.

Miksi työajoneuvot tarvitsevat erikoistuneita ja tarkkoja hallintalaitteita?

Työajoneuvoja käytetään usein vaarallisissa ympäristöissä, joissa vaaditaan tarkkuutta. Tästä syystä näiden ajoneuvojen hallintalaitteiden on oltava erittäin tarkkoja ja herkkiä. Lisäksi nämä hallintalaitteet täytyy usein yhdistää useisiin ajoneuvon IoT-antureihin ja automaattisiin ohjausjärjestelmiin. Esimerkkejä sovelluksista:

• Haarukkatrukin ohjauskahvat: ohjauskahvan kulman (eli pääohjauskahvan) tarkka tunnistaminen mahdollistaa turvallisen ja tehokkaan ohjattavuuden, mikä on erityisen tärkeää ahtaissa tiloissa.
• Traktorien vaihteistot: sujuvat vaihteenvaihdot vähentävät vaihteiston kulumista ja parantavat polttoainetehokkuutta.
• Polkimen asennonmuutokseen perustuvat järjestelmät: tarkat mittaukset mahdollistavat ajoneuvon optimaalisen hallinnan ja parantavat turvaominaisuuksia, kuten automaattista hidastusta ja hätäpysäytystä.

Luotettavuus on toinen suunnitteluvaatimus. Esimerkiksi varastoissa ja tuotantolaitoksissa hallintalaitteet voivat altistua epäpuhtauksille, äärilämpötiloille ja fyysiselle rasitukselle.

Lisäksi työajoneuvot on usein suunniteltu siten, että niissä on vähän vapaata tilaa. Esimerkiksi haarukkatrukit ovat erittäin kompakteja, mikä mahdollistaa niiden optimaalisen ohjaamisen varastokäytävillä. Näin ollen työajoneuvojen hallintalaitteissa käytettävien anturien on yleensä oltava mahdollisimman pieniä.

Miksi lineaariset Hall-anturit sopivat muita antureita paremmin työajoneuvojen hallintalaitteisiin

Sopivan anturin valitseminen työajoneuvojen hallintalaitteisiin voi olla vaikeaa, koska niissä tarvitaan kestävyyttä, pitkiä iskuetäisyyksiä ja pientä kokoa. Lineaariset Hall-anturit ovat hyvä vaihtoehto, koska niissä käytetty kontaktiton tekniikka toimii miljoonia käyttöjaksoja ilman että niitä tarvitsisi säätää. Lisäksi niitä on saatavana pienikokoisissa ja helposti kiinnitettävissä koteloissa, ja ne tarjoavat erinomaisen tarkkuuden lyhyen kantaman asennontunnistukseen.

Tarkastelemme nyt ensin Hallin ilmiötä, koska se auttaa meitä ymmärtämään näitä etuja. Hall-anturi syöttää kiinteää DC-biasvirtaa yhtä akselia pitkin ja ohuen metallinauhan eli Hall-elementiksi kutsutun puolijohteen poikki. Kun magneettikenttä on kohtisuorassa virran suuntaan nähden, Lorentzin voima poikkeuttaa varauksenkuljettajat niin, että ne kertyvät Hall-elementin vastakkaisille puolille ja luovat Hallin kentäksi kutsutun poikittaisen sähkökentän sekä elementin poikki kulkevan potentiaalin, jota kutsutaan Hallin jännitteeksi. Hallin jännite on verrannollinen virran, magneettikentän ja materiaalista riippuvaan Hallin kertoimeksi kutsutun vakion tuloon.

Lineaarisessa anturissa Hallin ilmiö voi luoda lähtöjännitteen, joka on verrannollinen Hall-elementin ja magneetin väliseen etäisyyteen. Tämä mahdollistaa erittäin tarkan asennontunnistuksen lyhyillä etäisyyksillä ja nopeilla vasteajoilla.

Työajoneuvojen hallintalaitteita varten suunniteltu lineaarinen Hall-anturi

Vishayn 20LHE-sarjan asentoanturit (kuva 1) ovat hyvä esimerkki lineaaristen Hall-anturien eduista. Niiden iskupituus on lyhyt, 10 mm, ja seurantanopeus 60 mm/s. Ne sopivat hyvin ajoneuvojen korkean tarkkuuden hallintalaitteisiin lineaarisuutensa vuoksi, joka voi olla niinkin alhainen kuin ±1 %.

Kuva 1: 20LHE-sarjan lineaaristen Hall-asentoantureiden lineaarisuus on ±1 %. (Kuvan lähde: Vishay)

20LHE-sarjan anturit on suunniteltu käytettäviksi vaativissa ympäristöissä, ja niiden huoltovapaa käyttöikä on yli 10 miljoonaa sykliä. Anturit tarjoavat tarkat mittaukset virtaa syöttämällä tarvitsematta kalibrointia tai alustusta. Lisäksi nämä anturit ovat erinomaisen stabiileja ilman lineaarisuuden siirtymää. Staattinen hystereesi on rajoitettu 0,1 prosenttiin syöttöjännitteestä, kun taas dynaaminen hystereesi on vain 0,25 %.

Anturit kiinnitetään laipasta, mikä helpottaa asennusta kuvan 2 mukaisesti, ja akseli voi ulottua 30 mm:n päähän asennuspinnasta, mikä helpottaa sen kytkemistä ohjausmekanismiin. 20LHE-sarjan anturin kokonaismitat ovat myös vain 46 x 20,8 x 37 mm, minkä ansiosta laite mahtuu ahtaisiinkin ohjaamoihin.

Kuva 2: 20LHE-sarjan anturit ovat kompakteja, ja niiden laippakiinnitys tekee asennuksesta helppoa. (Kuvan lähde: Vishay)

Mekaaniseen suunnitteluun liittyviä tekijöitä lineaarisia Hall-antureita käytettäessä

Työajoneuvojen hallintalaitteiden on oltava erittäin luotettavia hallitsemattomissa olosuhteissa. Siksi on tärkeää huomioida ajoneuvon ohjausanturin kyky kestää kovaa käsittelyä. Haastavissa olosuhteissa fyysiset iskut ja esimerkiksi ajoneuvon moottorista ja jousituksesta välittyvä tärinä ovat todennäköisiä. 20LHE-sarjan anturit ovat lujatekoisia, ja ne kestävät jopa 20 g:n tärinää ja jopa 50 g:n iskuja.

20LHE-sarjan anturit käyttävät tukevaa kestomuovikoteloa, joka kestää pölyn, nesteet ja −40 ... +85 °C:n äärilämpötilat. Jousipalautuksellisilla malleilla on IP51-luokitus, ja niitä saatavana on myös korkeammilla IP-luokituksilla.

IP-luokitus ilmaisee kotelon tarjoaman suojaustason sitä vastaan, että kiinteitä objekteja (ensimmäinen numero) ja nesteitä (toinen numero) pääsisi kotelon sisään. IP51-luokituksessa numero 5 ilmaisee, että kotelo on suojattu laitteen normaaliin toimintaan vaikuttavan pölymäärän sisäänpääsyltä, kun taas 1 ilmaisee, että kotelo on suojattu pystysuunnassa tippuvilta vesipisaroilta.

Sähkösuunnitteluun liittyviä huomioita käytettäessä lineaarisia Hall-antureita

Vaativissa ympäristöissä on myös sähkömagneettisia vaaroja, kuten sähköstaattisia purkauksia ja tahattomia vuorovaikutuksia erilaisten sähkö- ja elektroniikkajärjestelmien välillä. 20LHE-sarja kestää monenlaisia tällaisia vaaroja. Huomionarvoisinta on, että ne kestävät +20 voltin ylijännitteen ja −10 voltin estojännitteen. Muut ympäristöspesifikaatiot on lueteltu taulukossa 1.

Taulukko 1: 20LHE-sarja on suunniteltu kestämään fyysisiä ja sähkömagneettisia vaaroja. (Kuvan lähde: Vishay.)

Lineaarinen Hall-anturi on yhdistettävä kuormaresistanssiin, jotta se toimisi oikein. 20LHE-sarjaa varten Vishay suosittelee vähintään 1 kΩ:n kuormaa.

Lineaarisen Hall-anturin valinta

Tarkkuus on ensimmäinen huomioitava parametri, sillä anturin on tuettava vaadittua ohjaustarkkuutta. 20LHE-sarjassa Vishay tarjoaa vaihtoehdot 20LHE1XWA1P30 (lineaarisuus ±2 %) sekä 20LHE1AWA1P30 (lineaarisuus ±1 %.

Myös lähdön on vastattava muun ohjausjärjestelmän tarpeita. Tyypillisiä vaihtoehtoja ovat analoginen ratiometrinen lähtö ja pulssinleveysmodulaatiolähtö (PWM). 20LHE-sarjaa on saatavana molemmissa konfiguraatioissa, ja lähtötaso nousee tai laskee suhteessa anturin asentoon. Esimerkiksi 20LHE1AWB1P30-malli käyttää laskevaa analogista lähtöä, mikä tarkoittaa, että lähtötaso on alimmillaan, kun anturin akseli on kokonaan puristuneena (kuva 3).

Kuva 3: 20LHE1AWB1P30-malli käyttää laskevaa analogista lähtöä, joka saavuttaa minimiarvonsa, kun anturin akseli on kokonaan puristuneena. (Kuvan lähde: Vishay)

Itse akseliinkin kannattaa kiinnittää huomiota. Esimerkiksi 20LHE-sarja käyttää 3,175 mm:n akselia, jonka saa haluttaessa myös M3 × 6 mm -kierteellä. Tällainen konfiguraatio voi yksinkertaistaa asennusta ja tarjota luotettavamman kytkennän ohjausmekanismiin.

Useimmissa 20LHE-sarjan malleissa on jousipalautus. Tämä jousi tarjoaa itsekeskittävän mekanismin, joka varmistaa, että anturi palaa alkuperäiseen asentoonsa, kun sitä siirtänyt voima poistuu. Tästä ominaisuudesta voi olla hyötyä ajoneuvon hallintalaitteissa, kuten jatkuvasti vaihtelevaa syöttövoimaa tarkkailevissa kaasun asentoantureissa. Saatavana on myös jousettomia malleja, kuten 20LHE2AWA1P30.

Yhteenveto

Kontaktittomana vaihtoehtona lineaariset Hall-anturit sopivat erinomaisesti työajoneuvojen hallintalaitteisiin. 20LHE-sarja on pienikokoinen, ja sen laippakiinnitys helpottaa asennusta. Sen anturit ovat myös riittävän kestäviä kestämään vaativia työolosuhteita, minkä lisäksi ne tarjoavat stabiilia ja huoltovapaata tarkkuutta fyysisistä ja sähkömagneettisista haittatekijöistä huolimatta.