Premere sull’acceleratore

AUTOMOTIVE –

La simulazione circuitale ed elettromagnetica riduce i tempi di progettazione delle applicazioni per sensori induttivi da tre mesi a due settimane.

Il controllo elettronico della valvola garantisce notevoli vantaggi nelle applicazioni automobilistiche; facilita l'integrazione di diversi aspetti quali controllo di stabilità, sistemi automatici di frenatura, controllo elettronico della velocità, controllo della trazione e sistemi di sicurezza pre-impatto, che richiedono che l'apertura della valvola sia regolata in maniera indipendente dalla posizione del pedale dell'acceleratore. Allo stesso tempo, l'Etc (Electronic Throttle Control) riduce le emissioni e il consumo di carburante. Questa tecnologia elimina il collegamento meccanico tra l'acceleratore e la valvola, che viene invece controllata attraverso un motore elettrico. Un'unità elettronica di controllo determina la corretta apertura della valvola sulla base dei dati acquisiti da due sensori che monitorano la posizione del pedale dell'acceleratore. Il motore che controlla la valvola è quindi pilotato dall'Ecu (Electronic Control Unit) sulla posizione richiesta attraverso un sistema retroazionato. KSR International è un fornitore di sensori induttivi usati per determinare la posizione del pedale dell'acceleratore dalla quale il motore elettrico controlla la valvola. La maggior parte delle applicazioni per sensori induttivi può condividere le stesse linee di progetto; tuttavia, dal momento che KSR estende questa tecnologia ad applicazioni con diversi campi di rilevamento e formati, si rende necessario un progetto dedicato. Inizialmente KSR utilizzava metodi trial-and-error, che impiegavano circa tre mesi per lo sviluppo di sensori induttivi custom. Più recentemente, l'azienda ha iniziato a utilizzare il software di simulazione circuitale Nexxim e il software di simulazione elettromagnetica HFSS 3-D full-wave basato sul metodo agli elementi finiti di Ansys per la valutazione del funzionamento complessivo dei suoi sensori induttivi. Dal momento che la valutazione di prototipi virtuali è più rapida rispetto alla realizzazione e test di prototipi reali, KSR ha ridotto a due sole settimane il tempo richiesto per la progettazione di applicazioni custom basate su sensori induttivi.

Un progetto innovativo
Un requisito critico nell'Etc è la determinazione della posizione dell'acceleratore da parte del sensore in maniera accurata e affidabile, mentre il guidatore lo muove con il piede. Una possibilità è data dai sensori a effetto Hall; tuttavia il loro funzionamento si basa su un magnete permanente le cui proprietà magnetiche potrebbero ridursi durante il suo ciclo di vita - causando eventuali letture inaccurate da parte del sensore. D'altro canto, i sensori induttivi inviano una corrente alternata attraverso avvolgimenti fissi usati in trasmissione. Questi dispositivi generano un campo elettromagnetico che produce correnti indotte vorticose in un rotore metallico connesso al pedale dell'acceleratore o a un altro dispositivo. Le correnti indotte producono una corrente alternata negli avvolgimenti di ricezione. L'ampiezza e la fase di questa corrente alternata dipendono dalla posizione del rotore. Un singolo Asic eccita l'avvolgimento di trasmissione e interpreta il segnale proveniente dall'avvolgimento di ricezione per determinare la posizione del pedale dell'acceleratore. Un problema con i sensori induttivi convenzionali è che le inevitabili tolleranze di fabbricazione, quali le variazioni nell'intercapedine tra il rotore e gli avvolgimenti di trasmissione e ricezione, si ripercuotono sulla funzione di trasferimento del sensore la quale, a sua volta, può generare letture inaccurate. Il progetto innovativo KSR supera questo problema incorporando un avvolgimento di riferimento progettato in maniera che l'induttanza mutua tra gli avvolgimenti di trasmissione e di riferimento sia influenzata dall'intercapedine in egual misura. Quindi, quando viene processato il segnale dall'avvolgimento di ricezione, la mutua induttanza tra gli avvolgimenti di trasmissione e di ricezione è divisa per la mutua induttanza tra gli avvolgimenti di trasmissione e di riferimento. Ciò fornisce una misura dell'angolo di rotazione che è indipendente dall'intercapedine.

La sfida progettuale
KSR affronta una significativa sfida nel progettare applicazioni custom per sensori che differiscono significativamente dalla linea base. Queste applicazioni tipicamente hanno un diverso campo di movimento, che può richiedere nuovi avvolgimenti e un Asic per pilotare l'avvolgimento di trasmissione, misurare la tensione generata nell'avvolgimento di ricezione e calcolare la posizione del pedale dell'acceleratore o di altri dispositivi la cui posizione rotazionale deve essere misurata. In molti casi, i progettisti di sensori induttivi devono tener conto di interferenze da parte di altri componenti presenti nel prodotto del cliente. Ad esempio, parti metalliche vicine possono avere impatto sul campo magnetico generato dall'avvolgimento di trasmissione e dal rotore. In passato, gli ingegneri KSD svilupparono un iniziale approccio progettuale sulla base della loro esperienza e quindi costruirono un prototipo. In alcuni casi, le prestazioni non hanno soddisfatto i requisiti richiesti. Test fisici forniscono solo un numero molto limitato di dati acquisiti, per cui spesso era difficile diagnosticare l'origine della causa. Per queste ragioni, il processo necessitava di un considerevole numero di cicli di “progetto-realizzazione-test” per soddisfare le richieste del cliente e ottimizzare il progetto. Questo tipo di approccio richiedeva un notevole tempo di sviluppo ed era dipendente dalle abilità e dall'impegno del progettista. Più recentemente, l'uso dei software HFSS e Nexxim da parte di KSR ha ridotto la necessità di prototipi fisici. Il processo ha inizio importando la geometria iniziale del progetto in HFSS da un file Cad. L'ingegnere definisce le proprietà elettriche dei materiali - come per esempio la permettività e la tangente di perdita nei dielettrici, permeabilità e tangente di perdita magnetica, la conducibilità elettrica e la saturazione magnetica - insieme alle condizioni al contorno necessarie per specificare il comportamento dei campi sulle superfici. HFSS valuta la distribuzione del campo elettromagnetico all'interno della struttura calcolando tutti i modi e le eccitazioni contemporaneamente. Calcola quindi la matrice S generalizzata riducendo il comportamento elettromagnetico della struttura a un insieme di parametri circuitali ad alta frequenza. Il modello HFSS viene inserito come un blocco all'interno del simulatore circuitale Nexxim, il quale combina l'accuratezza della simulazione elettromagnetica 3D con la velocità della simulazione circuitale. Nexxim fornisce alti livelli di accuratezza richiesti nella simulazione della sensitività dei circuiti analogici e delle interfacce wireless come anche robustezza e capacità necessarie per gestire la diversità e complessità dei moderni progetti di circuiti integrati mixed-signal. Le prestazioni dei sensori induttivi dipendono da un buon oscillatore. La simulazione circuitale consente di determinare facilmente se l'oscillatore ha una forma d'onda non distorta e quanta corrente esso assorbe. L'uscita della simulazione circuitale fornisce altre importanti informazioni di progetto, come ad esempio il segnale ai diversi angoli del rotore. I modelli completi degli Asic possono essere importati direttamente in Nexxim sia in versioni protette che non protette.

Il ruolo della simulazione
Simulazioni parametriche sono spesso effettuate per caratterizzare il modello in termini di dimensioni fisiche, proprietà dei materiali o diverse condizioni. Il modello HFSS è parametrizzato e caratterizzato su intervalli definiti dall'utente nello spazio delle variabili e della frequenza. Durante la simulazione circuitale un'interpolazione multidimensionale è applicata per ottenere i parametri S richiesti dal simulatore circuitale per le particolari istanze parametriche del modello. Ad esempio, gli ingegneri KSR effettuano tipicamente uno studio parametrico dell'intercapedine tra il rotore e gli avvolgimenti di trasmissione e ricezione in maniera da assicurare che le inevitabili imperfezioni di fabbricazione non influenzino l'accuratezza del sensore. Differenti intercapedini richiedono diversi livelli della corrente per mantenere la stessa forza del segnale. L'uscita dovrebbe essere indipendente dall'intercapedine a causa della presenza dell'avvolgimento di riferimento. Il modello complessivo circuitale aiuta gli ingegneri KSR a fronteggiare gli inevitabili problemi che si generano nelle applicazioni reali. Ad esempio, i supporti di acciaio posizionati vicino al sensore agiscono come una lamina su cui si possono generare correnti indotte vorticose e quindi avere un forte impatto sull'uscita. In un'applicazione, l'aggiunta di un supporto, di un bullone e di un asse di acciaio ha ridotto la tensione di uscita dell'11.6%, un valore troppo alto e pertanto non accettabile. Gli ingegneri KSR hanno creato una serie di modello HFSS in cui i singoli componenti sono stati isolati. Ciò ha dimostrato che il solo supporto riduceva l'uscita del 10.2%, l'asse di acciaio di solo l'1.3% e il bullone dello 0.1%. Gli ingegneri hanno focalizzato la loro attenzione sui supporti e tentato diversi modifiche nel progetto. Il team ha scoperto che, aggiungendo un buco di 20 mm sul supporto, l'output aumentava dello 0.7%. Sommando questo effetto a quelli del bullone e dell'asse, il risultato complessivo era un impatto trascurabile sulle tensioni di uscita, che può essere corretto con aggiustamenti finali standard programmati. Grazie alla simulazione, gli ingegneri KSR hanno ottimizzato il progetto dei sensori induttivi prima di costruire un prototipo. Il nuovo approccio sostanzialmente riduce il tempo necessario per l'ingegnerizzazione dei prodotti affinché si adattino alle applicazioni richieste dai clienti. Il risultato complessivo è una sostanziale diminuzione dei costi di progetto e una riduzione del tempo di commercializzazione.

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