Dobór i zastosowanie liniowego czujnika pozycji do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych

Wraz z rozwojem Internetu rzeczy (IoT) w dziedzinie automatyzacji fabryk i coraz częstszym wykorzystaniem elektroniki w pojazdach, projektanci muszą dokładnie rozważać dostępne opcje czujników. Pojazdy takie jak ciągniki i wózki widłowe stanowią wyjątkowe wyzwania projektowe w zakresie czujników liniowych do elementów sterowniczych. Wspomniane elementy sterownicze muszą być precyzyjne, responsywne, niezawodne i trwałe, odporne na ekstremalne temperatury, wstrząsy, drgania, pył i wilgoć przez wiele lat przy minimalnych nakładach konserwacyjnych.

Jedną z opcji spełniających wymagania tych zastosowań jest liniowy czujnik hallotronowy. Jako opcja bezkontaktowa, czujniki te mogą mieć wzmocnioną konstrukcję i wytrzymać trudne warunki pracy.

W niniejszym artykule omówiono wymagania dotyczące czujników w pojazdach oraz powody, dla których liniowe czujniki hallotronowe stanowią dobre rozwiązanie. Następnie przedstawiono liniowe czujniki hallotronowe firmy Vishay, aby zilustrować ich charakterystykę oraz sposób ich skutecznego doboru i stosowania.

Dlaczego pojazdy wzmocnione wymagają specjalistycznych elementów sterowniczych o wysokiej precyzji

Pojazdy wzmocnione często pracują w niebezpiecznych środowiskach, gdzie wymagana jest precyzja działania. W związku z tym elementy sterownicze w tych pojazdach muszą być bardzo dokładne i responsywne. Ponadto omawiane elementy sterownicze często muszą współpracować z kilkoma wbudowanymi czujnikami Internetu rzeczy (IoT) i zautomatyzowanymi systemami sterowania. Przykłady zastosowań:

• Ramiona sterujące wózków widłowych: dokładne wykrywanie kąta ramienia (głównego drążka sterującego) umożliwia bezpieczne i sprawne manewrowanie, co jest szczególnie ważne w ciasnych przestrzeniach.
• Przełączniki zmiany biegów w ciągnikach: płynna zmiana biegów minimalizuje zużycie eksploatacyjne przekładni i zwiększa oszczędność paliwa.
• Systemy przemieszczania pedałów: precyzyjne pomiary pozwalają na optymalne sterowanie pojazdem i poprawiają funkcje bezpieczeństwa, takie jak automatyczna redukcja prędkości i zatrzymanie awaryjne.

Kolejnym wymogiem projektowym jest niezawodność. W środowiskach takich jak magazyny i zakłady produkcyjne elementy sterownicze mogą być narażone na zanieczyszczenia, ekstremalne temperatury i uszkodzenia mechaniczne.

Do tego wszystkiego w pojazdach wzmocnionych często występuje ograniczona przestrzeń projektowa. Na przykład wózki widłowe są bardzo kompaktowe z myślą o optymalizacji zwrotności w alejkach magazynowych. Dlatego czujniki przeznaczone do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych zwykle muszą mieć możliwie najmniejsze rozmiary.

Dlaczego liniowe czujniki hallotronowe idealnie nadają się do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych

Wybór odpowiedniego czujnika do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych może być trudny ze względu na trwałość, duże odległości skoku i niewielkie rozmiary. Liniowe czujniki hallotronowe są dobrym rozwiązaniem, ponieważ wykorzystują technologię bezkontaktową, która zapewnia wytrzymałość rzędu milionów cykli bez regulacji. Ponadto są one dostępne w kompaktowych, łatwych w montażu obudowach i oferują znakomitą precyzję wykrywania pozycji na niewielką odległość.

Aby zrozumieć te korzyści, warto najpierw poznać zjawisko Halla. Ustalony prąd stały polaryzacji w czujniku hallotronowym płynie wzdłuż jednej osi i w poprzek cienkiego paska metalu lub półprzewodnika zwanego elementem Halla. Po przyłożeniu pola magnetycznego prostopadle do przepływu prądu nośniki ładunku są odchylane przez siłę Lorentza i gromadzą się po przeciwnych stronach elementu Halla, tworząc poprzeczne pole elektryczne zwane polem Halla i potencjał w poprzek elementu zwany napięciem Halla. Napięcie Halla jest proporcjonalne do iloczynu prądu, pola magnetycznego i stałej zależnej od materiału, znanej jako współczynnik Halla.

W czujniku liniowym zjawisko Halla może generować napięcie wyjściowe proporcjonalne do odległości między elementem Halla a magnesem. Pozwala to uzyskać bardzo dokładne wykrywanie pozycji na niewielkich odległościach z krótkim czasem reakcji.

Liniowy czujnik hallotronowy zaprojektowany do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych

Czujniki pozycji z serii 20LHE firmy Vishay (ilustracja 1) ilustrują zalety liniowych czujników hallotronowych. Mają krótki skok 10mm i prędkość śledzenia 60mm/s. Dzięki ich liniowości, która może wynosić zaledwie ±1%, nadają się one do stosowania w pojazdach wymagających wysokiej precyzji sterowania.

Ilustracja 1: liniowe czujniki hallotronowe pozycji z serii 20LHE charakteryzują się liniowością ±1%. (Źródło ilustracji: Vishay)

Czujniki z serii 20LHE są przeznaczone do pracy w trudnych warunkach środowiskowych i charakteryzują się żywotnością przekraczającą 10 milionów cykli bez obsługi. Czujniki zapewniają dokładne pomiary po przyłożeniu zasilania bez kalibracji czy inicjalizacji. Ponadto czujniki te zapewniają doskonałą stabilność bez dryftu liniowości. Histereza statyczna jest ograniczona do 0,1% napięcia zasilania, a histereza dynamiczna wynosi zaledwie 0,25%.

Czujniki są montowane kołnierzowo, co ułatwia instalację, jak pokazano na ilustracji 2, a trzpień może wystawać 30mm od powierzchni montażowej, aby ułatwić połączenie z mechanizmem sterowniczym. Jednocześnie całkowite wymiary czujnika z serii 20LHE wynoszą zaledwie 46 x 20,8 x 37mm, dzięki czemu urządzenie zmieści się w ciasnej kabinie pojazdu.

Ilustracja 2: czujniki z serii 20LHE są kompaktowe i wykorzystują konstrukcję z mocowaniem kołnierzowym, co ułatwia montaż. (Źródło ilustracji: Vishay)

Zagadnienia dotyczące projektowania mechanicznego liniowych czujników hallotronowych

Elementy sterownicze w pojazdach wzmocnionych muszą zapewniać wysoką niezawodność w niekontrolowanych warunkach. Dlatego ważne jest, aby wziąć pod uwagę odporność czujnika do sterowania pojazdem i intensywną eksploatację. W trudnych warunkach prawdopodobne są uderzenia fizyczne, podobnie jak drgania generowane przez źródła takie jak silnik i zawieszenie pojazdu. Czujniki z serii 20LHE charakteryzują się wytrzymałą konstrukcją, która jest odporna na drgania do 20g i wstrząsy do 50g.

Czujniki z serii 20LHE są zamknięte w trwałych termoplastycznych obudowach odpornych na kurz, ciecze i ekstremalne temperatury od -40°C do +85°C. Modele ze sprężyną powrotną posiadają stopień ochrony IP51. Dostępne są również modele z wyższym stopniem ochrony IP.

Stopień ochrony IP określa poziom ochrony zapewnianej przez obudowę przed wnikaniem ciał stałych (pierwsza cyfra) i cieczy (druga cyfra). W przypadku stopnia ochrony IP51, cyfra 5 oznacza, że obudowa jest chroniona przed wnikaniem pyłu w ilości wystarczającej do zakłócenia normalnej pracy urządzenia, natomiast 1 oznacza, że obudowa jest chroniona przed spadającymi pionowo kroplami wody.

Zagadnienia dotyczące projektowania elektrycznego liniowych czujników hallotronowych

Środowiska specyficzne dla maszyn wzmocnionych stwarzają również zagrożenia elektromagnetyczne, w tym wyładowania elektrostatyczne i może dochodzić w nich do przypadkowych interakcji między różnymi systemami elektrycznymi i elektronicznymi. Czujniki z serii 20LHE mogą wytrzymać wiele tego typu zagrożeń. Przede wszystkim są one odporne na nadmierne napięcie +20V i napięcia wsteczne -10V. Pozostałe specyfikacje środowiskowe podano w tabeli 1.

Tabela 1: seria 20LHE została zaprojektowana tak, aby wytrzymać wpływ czynników fizycznych i elektromagnetycznych. (Źródło ilustracji: Vishay)

Aby liniowy czujnik hallotronowy działał prawidłowo, musi być połączony z rezystancją obciążenia. W przypadku serii 20LHE firma Vishay zaleca minimalne obciążenie 1kΩ.

Dobór liniowego czujnika hallotronowego

Dokładność jest pierwszym parametrem, który należy wziąć pod uwagę, ponieważ czujnik musi zapewniać wymaganą precyzję sterowania. Dla serii 20LHE firma Vishay oferuje liniowość ±2% w przypadku czujnika 20LHE1XWA1P30 oraz liniowość ±1% w przypadku czujnika 20LHE1AWA1P30.

Wyjście powinno również odpowiadać potrzebom reszty układu sterowania. Typowe opcje to między innymi analogowe układy ratiometryczne lub modulacja szerokości impulsu (PWM). Seria 20LHE jest dostępna w obu konfiguracjach - z rosnącym i malejącym sygnałem wyjściowym, zależnie od pozycji czujnika. Na przykład czujnik 20LHE1AWB1P30 ma analogowy malejący sygnał wyjściowy, co oznacza, że jest on najniższy, gdy trzpień czujnika jest całkowicie ściśnięty (ilustracja 3).

Ilustracja 3: czujniki 20LHE1AWB1P30 są dostępne z analogowym sygnałem malejącym, który osiąga wartość minimalną, gdy trzpień czujnika jest całkowicie ściśnięty. (Źródło ilustracji: Vishay)

Sam trzpień zasługuje na uwagę. Na przykład seria 20LHE posiada trzpień 3,175mm, który może mieć opcjonalnie gwint M3 x 6mm. Taka konfiguracja może uprościć instalację i zapewnić bezpieczniejsze połączenie z mechanizmem sterowniczym.

Większość modeli z serii 20LHE jest wyposażona w sprężynę powrotną. Sprężyna ta zawiera mechanizm samocentrujący, który zapewnia zresetowanie czujnika do pierwotnej konfiguracji po ustaniu siły, która na niego zadziałała. Funkcja ta może być przydatna w zastosowaniach sterowania pojazdami, takich jak czujniki pozycji przepustnicy, w których operatorzy często przykładają i usuwają siły wejściowe. Modele bez sprężyny, takie jak 20LHE2AWA1P30, są również dostępne.

Podsumowanie

Liniowe czujniki hallotronowe stanowią opcję bezkontaktową i są idealnym rozwiązaniem do elementów sterowniczych w pojazdach wzmocnionych. Seria 20LHE charakteryzuje się kompaktową obudową i montażem kołnierzowym ułatwiającym instalację. Są one również wystarczająco trwałe, aby wytrzymać trudne warunki pracy i zapewniają stabilną, bezobsługową precyzję w obliczu zagrożeń od czynników fizycznych i elektromagnetycznych.