L'immunità ai campi dispersione essenziale per i sensori magnetici

6th June 2019
Source: Melexis
Posted By : Alex Lynn
L'immunità ai campi dispersione  essenziale per i sensori magnetici

Una combinazione della consapevolezza sui temi ambientali e della domanda dei consumatori sta spingendo l'industria automobilistica a produrre veicoli sempre più efficienti.

Di Nick Czarnecki, Responsabile Marketing – Sensori di Posizione e Velocità, Melexis B. V.

Che si tratti dei veicoli elettrici (EV)/ibridi elettrici (HEV) altamente pubblicizzati o semplicemente degli adeguamenti dei veicoli a motore a combustione interna (ICE) esistenti, i veicoli moderni sono un condensato di tecnologia, e tutto ciò è unicamente destinato ad aumentare in futuro.

Sempre più applicazioni stanno migrando verso gli azionamenti elettrici. Queste ultime includono elementi come valvole elettriche, pompe elettriche dell’olio, turbocompressori elettrici e, soprattutto, sistemi di propulsione elettrica per veicoli EV e HEV alimentati a batteria. Non solo queste modifiche rendono il veicolo più efficiente, ma sono anche più pulite e più affidabili.

Gli azionamenti elettrici sono inoltre più leggeri rispetto alle precedenti soluzioni di tipo meccanico/idraulico, e in questo modo il peso ridotto rende i veicoli ancora più efficienti, bruciando meno combustibile fossile o aumentando ulteriormente l’autonomia con una sola carica.

Eppure, l'azionamento ha scarso valore senza un rilevamento accurato, ripetibile e affidabile. Un'unità di controllo deve essere in grado di individuare la posizione corrente, di modo da poter calcolare gli spostamenti necessari per raggiungere la posizione desiderata.

C'è stata di recente una rivoluzione nel rilevamento della posizione meccanica, con la tecnologia magnetica che sostituisce i sensori resistivi e ottici come metodo di rilevamento preferito. Diversamente dagli encoder rotativi, un sensore magnetico è in grado di sopportare la polvere, lo sporco, il grasso, le vibrazioni e l'umidità presenti nei veicoli (e in molte applicazioni industriali). Rispetto ad altri sensori di spostamento lineari e angolari di uso comune, i sensori magnetici non si usurano – un'altra caratteristica chiave che garantisce ripetibilità e affidabilità nel lungo termine.

Tuttavia, poiché le tecnologie elettriche/elettroniche stanno proliferando, l’ambiente del veicolo comincia a rappresentare una sfida in continua crescita per il rilevamento magnetico. Ad esempio, i motori elettrici che alimentano i veicoli EV e HEV consumano grandi quantità di corrente elettrica, e di conseguenza producono campi magnetici nelle aree intorno ai cavi che trasportano la corrente elettrica dalla batteria o dall'alternatore al motore.

In misura minore, anche le correnti più piccole necessarie per alimentare le pompe del servosterzo elettronico (EPS), per aprire i finestrini, per azionare il tettuccio apribile o uno qualsiasi dei dispositivi azionati elettricamente presenti nel veicolo possono creare un campo magnetico di dispersione.

Questi ultimi quasi sicuramente comprometteranno la precisione dei sensori e possono, in alcuni casi, portare a errori macroscopici in produzione - con risultati potenzialmente catastrofici. Mentre un tetto apribile che non si chiude correttamente costituisce un inconveniente, un pedale del freno, dell’acceleratore o un volante su cui non è possibile eseguire rilevazioni precise è potenzialmente pericoloso per la vita.

Per far fronte alle implicazioni sulla sicurezza, l'industria automobilistica dispone di standard che definiscono i requisiti per la sicurezza dei sistemi che potrebbero essere interessati da campi magnetici di dispersione (e da altri problemi). Tra i principali standard figurano l’ISO26262, che si occupa di sicurezza funzionale e le varie specifiche OEM che si occupano dell'immunità ai campi magnetici.

Il tradizionale effetto Hall e i sensori magnetoresistivi (MR) sono sensibili ai campi di dispersione che si trovano all’interno dei veicoli, essendo progettati per misurare il campo magnetico prodotto da un magnete posto nelle vicinanze che è collegato all'elemento misurato. Poiché il campo magnetico di dispersione prodotto dalle correnti elettriche (soprattutto dalle centinaia di ampère che alimentano i motori dell’avantreno) può essere di grandi dimensioni, l'uscita del sensore può essere notevolmente imprecisa.

Nel caso dei sensori rotativi, l'errore sull'angolo può essere superiore a 10 gradi, che è sostanziale quando molti sistemi come le valvole o i corpi a farfalla ruotano fisicamente solo di 90 gradi. Oltre agli evidenti problemi di sicurezza in sterzata e in frenata, l'unità di controllo del motore (ECU) da sola non sarebbe in grado di controllare correttamente il motore (o addirittura non sarebbe affatto in grado di controllarlo).

I progettisti che desiderano implementare una soluzione di rilevamento magnetico nei veicoli si trovano a dover scegliere fra due principali opzioni. La prima riguarda la schermatura del dispositivo di rilevamento (e il relativo magnete) dagli effetti dei campi magnetici di dispersione. Non solo ciò è potenzialmente complesso e impegnativo, ma è anche costoso, in quanto sono necessari materiali con elevata permeabilità magnetica.

Questi non proteggono tanto quanto assorbono e deviano le linee di campo, e quindi possono anche impattare sul rilevamento poiché il campo magnetico desiderato risulta modificato assieme al campo di dispersione. Per evitare ciò, è necessario un traferro che aumenta le dimensioni, il peso e il costo – nessuno dei quali è desiderabile in un moderno progetto automotive.

L'altro approccio consiste nell’utilizzare un tipo di sensore che sia intrinsecamente immune e insensibile ai campi magnetici di dispersione. I sensori magnetici Triaxis Gen III di Melexis includono una modalità incorporata di funzionamento immune ai campi parassiti, e consentono di ridurre notevolmente o di eliminare l'errore causato dai campi magnetici di dispersione. Come tali, i sensori Triaxis Gen III possono essere utilizzati in prossimità dei conduttori di corrente o in prossimità di altri magneti all’interno del veicolo.

La modalità di funzionamento immune ai campi magnetici di dispersione richiede unicamente un semplice magnete a 4 poli per il movimento rotativo e un magnete a 2 poli per il movimento lineare. Con un semplice progetto magnetico, l'errore dovuto ai campi di dispersione è ridotto a 0,4 gradi di scarto angolare, che è un valore accettabile per la maggior parte dei principali costruttori di veicoli.

Ciò significa che gli sforzi di progettazione possono essere ridotti, in quanto non è più necessario posizionare il sensore lontano da fonti di campi magnetici di dispersione.

Inoltre, è possibile eliminare o ridurre notevolmente qualsiasi schermatura che avrebbe potuto essere stata necessaria in passato, con una notevole riduzione delle dimensioni, del peso e dei costi del sistema. La modalità di funzionamento immune ai campi di dispersione offre anche gli stessi vantaggi della modalità di funzionamento tradizionale, inclusi il rilevamento senza contatto, gli alti livelli di robustezza EMC, l’ingombro ridotto del package e la capacità di raggiungere un livello elevato di sicurezza funzionale (tra cui ASIL B o C).


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