Millaiset pulssianturin ominaisuudet parantavat kestävyyttä? Ehkä puolijohde-elektroniikka?

Pulssianturisovelluksia on kaikkialla ympärillämme, taisteluroboteista aina Mars-mönkijään asti, niin suurissa rakennuskoneissa kuin puolijohteiden valmistuslaitteistossa sekä monissa lääketieteen ja sotilasteollisuuden sovelluksissa.

Tiivistetysti voidaan sanoa, että antureita on kaikkialla missä liikettäkin esiintyy. Pulssianturit eivät ehkä ole yhtä vaikuttavia kun tuotteet, joissa niitä käytetään, mutta ne ovat kuitenkin tärkeässä osassa nykyaikaisissa monimutkaisissa ja hienostuneissa liikkeenohjausjärjestelmissä.

Pulssianturit ovat keskeisiä komponentteja teollisuus-, robotiikka-, ilmailu-, energia ja automaatiosovelluksien liikeohjauksen takaisinkytkennässä. Niiden on toimittava vaikeissa olosuhteissa, joissa ne altistuvat pölylle, lialle ja rasvalle, vaihteleville lämpötiloille sekä voimakkaalle tärinälle.

Pulssianturien tarve laajenee entisestään harjattomien DC-moottorien (BLDC) yleistyessä. Nämä moottorit tarjoavat etuja hallittavuuden, tarkkuuden ja hyötysuhteen saralla. Pulssianturin tehtävä on yksinkertainen: ilmoittaa moottorin akselin asento järjestelmän ohjaimelle. Tämän tiedon perusteella ohjain pystyy tarkasti ohjaamaan moottorin käämien virtaa ja määrittämään sen nopeuden, suunnan ja kiihtyvyyden. Ne ovat kaikki parametreja, joita liikettä ohjaava silmukka tarvitsee pitääkseen moottorin suorituskyvyn toivotunlaisena. Pulssianturisovelluksilta vaaditaan luotettavuutta, kestävyyttä ja optimoitua suorituskykyä, minkä myötä älykkäistä pulssiantureista tulee yhä tärkeämpiä useimmille tarkkaa liikkeen ohjausta vaativille sovelluksille.

Älytoimintoja käyttävät uudenlaiset ratkaisut tuovat uusia kykyjä ja mahdollisuuksia myös vaatimattomien antureiden käyttöalueelle.

Vaikka pulssianturit ovatkin tärkeitä laitteiden toiminnalle, niitä pidetään usein tyhminä komponentteina, jotka vain lähettävät pulssisignaaleja korkeamman tason ohjaimelle. Antureiden käyttäjät ovat perinteisesti olleet haluttomia muutoksiin, mutta nykyisin esimerkiksi kapasitiivisen pulssianturin toimintaperiaatteet on testattu täysin ja niitä on käytetty kentällä vuosikausia menestyneesti.

Mikrokontrollerin ja muokattujen ASICien lisääminen tuo mukaan huomattavan määrän joustavuutta, sillä anturin tarkkuutta, nollakohtaa ja napojen määrää voidaan muuttaa nopeasti. Tämä digitaalinen lähestymistapa liikkeentunnistukseen mahdollistaa monia etuja ja uudenlaista älyä pyöriviä pulssiantureita käyttäville suunnittelijoille.

Pulssianturit: Kolme eri tyyppiä ja niiden erilaiset soveltuvuudet

Kolme tunnetuinta pulssianturityyppiä perustuvat optiseen, magneettiseen ja kapasitiiviseen tekniikkaan.

Optisissa ratkaisuissa käytetään uritettua levyä, jonka toisella puolella on LED ja toisella puolella fototransistoreja. Levy pyörii ja estää valon kulkemisen, jolloin tuloksena olevista pulsseista saadaan akselin suunta ja pyörimiskulma (kuva 1). Optiset pulssianturit ovat edullisia, mutta niiden luotettavuus heikkenee lian, pölyn ja öljyn myötä, minkä lisäksi LEDien käyttöikä on rajallinen.

Kuva 1: Tässä on perinteinen optinen pulssianturi. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Magneettinen pulssianturi on paljolti optisten pulssianturien kaltainen, mutta käyttää valonsäteen sijaan magneettikenttää. Uritetun optisen pyörän sijaan siinä on magneettinen levy, joka pyörii magnetoresistiivisen anturiryhmän päällä. Pyörän pyöriminen aiheuttaa vasteen näissä antureissa, ja se johdetaan signaalinkäsittelyasteeseen akselin asennon määrittämistä varten. Magneettiset pulssianturit ovat kestäviä, mutta ne eivät ole yhtä tarkkoja, ja sähkömoottoreista sekä ohjainlaitteista tulevat magneettiset häiriöt voivat vaikuttaa niihin.

Kapasitiiviset pulssianturit tarjoavat kaikki optisten ja magneettisten anturien hyvät puolet ilman niiden heikkouksia. Ne ovat huomattavasti kestävämpiä, eivätkä ympäristön hiukkaset tai magneettiset häiriöt juuri vaikuta niihin. Kapasitiivisessa pulssianturissa on kaksi viivakuviota, joista toinen on kiinteässä ja toinen liikkuvassa elementissä. Yhdessä ne muodostavat muuttuvan kondensaattorin, joka on määritetty lähetin-vastaanotinpariksi (kuva 2). Pyöriessään anturi käynnistää sisäisen ASIC-piirin, joka laskee viivojen muutokset ja interpoloi seuratakseen akselin suuntaa normaaleilla kvadratuurilähdöillä – sekä kommutointilähdöillä, joita muut anturit tarjoavat BLDC-moottoreiden ohjaukseen.

Kuva 2:  Tätä on kapasitiivinen tunnistus... kvadratuurin palkkirivien ja lähtöaaltomuotojen avulla. (Kuvan lähde: CUI Devices)

Anturin palautteen digitaalinen parannus

Kapasitiiviset pulssianturit toimivat luotettavasti. Lisäksi (toisin kuin optisten ja magneettisten antureiden kohdalla) niiden digitaalinen lähtösignaali vie suunnittelun uudelle vuosisadalle, mikä helpottaa tuotekehitystä, asennusta ja jopa kunnossapitoa.

Eräs eduista on anturin kyky säätää tarkkuuttaan (pulssien määrää kierrosta kohti) ilman, että anturin levyä on tarpeen vaihtaa. Tämä tehostaa joustavuutta kehityksen aikana ohjaussilmukkaa optimoitaessa.

Digitaalinen teknologia mahdollistaa myös yksinkertaisen, yhdellä kosketuksella tehtävän nollauksen, jolloin kommutaatiosignaalien asennus ja kohdistus BLDC-moottorin käämeihin on nopeaa ja helppoa. Siinä käyttäjä lukitsee akselin kohdeasentoon kytkemällä virran moottorin haluttuihin vaiheisiin ja käskee anturia ottamaan tämän asennon nollakohdakseen. Erikoistyökaluja ei tarvita, ja koko toimenpide kestää pari minuuttia. Sitä vastoin optisen tai magneettisen pulssianturin nollaaminen (eli kommutaatiosignaalien manuaalinen kohdistus moottorin käämeihin) on monimutkainen ja turhauttava prosessi, joka voi kestää 20 minuuttia.

CUI:n AMT-sarjan laitteisiin rakennettu äly sekä niiden mukana toimitettava AMT Viewpoint -käyttöliittymä tarjoavat myös sisäänrakennetun diagnostiikkatoiminnon vikojen nopeampaan analysointiin ja mahdollisuuden ennakoiviin toimenpiteisiin kuten anturin kuntotestiin. Ne myös lyhentävät markkinoilletuontiaikaa.

Tällainen diagnostiikkatieto auttaa kehittäjää suunnittelutyössä, kun anturi voidaan poistaa epäiltyjen kohteiden luettelosta vianetsinnässä.

Diagnostiikasta on apua myös kentällä, kun loppukäyttäjät näkevät tietoja anturin kunnosta jo ennen vikaantumista. Anturin käytös saadaan myös erotettua moottorin toiminnan analysoinnista kunnossapitoa varten, jolloin voidaan tunnistaa muun muassa kohdistusvikoja ja laakerien kulumia. Sisäänrakennetun diagnostiikan ansiosta järjestelmät voivat varmistaa pulssiantureiden oikean toiminnan ennen moottorien käyttöä kriittisissä liikeohjaussovelluksissa, jotta vältytään mahdollisilta vaurioilta.

Älykkäitä toimintoja ja IoT-yhteyksiä kaikille anturityypeille

Kapasitiiviseen teknologiaan perustuva AMT-anturimallisto tarjoaa paljon muutakin kuin vain paremman suorituskyvyn ja luotettavuuden. Ne tarjoavat älykkäitä toimintoja sekä runsaasti ohjelmoitavia asetus- ja asennusominaisuuksia. Digitaaliteknologia on seuraava askel hyödynnettäessä älykkään rajapinnan tehoa sellaisten etujen saavuttamiseksi, joita perinteisellä anturitekniikalla ei voida saavuttaa.