Sensori di posizione magnetici

sensori di posizione magnetici sono una delle storie di successo più significative nelle tecnologie applicate al settore elettronica. La capacità dei sensori magnetici di sopportare la polvere, lo sporco, il grasso, le vibrazioni e l’umidità che di norma compromettono il funzionamento degli encoder ottici - l’alternativa senza contatto più popolare per i sensori di posizione - sono molto apprezzate, in particolare in settori come le applicazioni industriali e automotive. Il dispositivo più utilizzato nel settore per misurare lo spostamento lineare o angolare, ossia il potenziometro, soffre le conseguenze dell’usura meccanica che porta molto spesso a dei guasti prematuri. Rispetto sia agli encoder ottici sia ai potenziometri, un sistema magnetico per il rilevamento della posizione è molto più resistente e funziona in modo molto più affidabile, senza risentire della presenza di sporcizia, umidità o instabilità. Eppure alcuni progettisti di sistemi industriali e automobilistici continuano a porsi ostinatamente una domanda: i sensori di posizione magnetici sono affidabili? Questi ingegneri spesso progettano sistemi destinati a essere usati in un ambiente dove sono presenti fonti di magnetismo potenti, come ad esempio motori elettrici e linee dell’alta tensione. D’altronde i forti campi magnetici generati da questi sistemi - pensiamo solo allo spazio chiuso del telaio di un’auto o a una turbina eolica - non disturberanno significativamente il campo debole generato dal magnete al quale è accoppiato un sensore a effetto Hall? Una situazione del genere può creare grossi problemi ai progettisti di sistemi, ma solo se usano sensori di posizione magnetici senza alcuna immunità intrinseca all’effetto dei campi magnetici esterni indesiderati (campi di dispersione). L’immunità incorporata offre una protezione completa dalla potenza magnetica dei motori elettrici e dai cavi di corrente, garantendo un funzionamento sicuro e affidabile senza la necessità di dover incorporare delle contromisure costose e ingombranti.

Caratteristiche dei campi di dispersione magnetica

I campi di dispersione magnetica possono essere generati da magneti, motori, trasformatori o qualsiasi conduttore di corrente come i cavi elettrici. Rappresentano un elemento di preoccupazione crescente in particolare in un settore dell’industria automobilistica: i campi di dispersione magnetica sono più numerosi e più forti nei veicoli elettrici e ibridi rispetto alle automobili alimentate da un tradizionale motore a combustione interna. Nelle vetture con motore a combustione interna, le fonti dei campi di dispersione si trovano principalmente sotto il cofano. I campi di dispersione sotto il cofano sono presenti anche nei veicoli elettrici e ibridi. Ma questi veicoli presentano un’altra caratteristica cruciale: sono dotati di grandi batterie per alimentare il sistema di trazione. Nelle autovetture, per distribuire al meglio il peso, questa pesante batteria in genere è montata centralmente e al livello delle ruote, in un incavo posto sotto l’abitacolo. Un’altra posizione usata di frequente per la batteria è il posteriore dell’auto, sotto il portabagagli. Ciò significa che i cavi devono trasportare grandi quantità di corrente - fino a 400 A di picco quando il veicolo è in accelerazione - dalla batteria verso uno, due o quattro motori elettrici. Per alimentare uno o più motori elettrici che spingono le ruote anteriori, questi cavi devono passare vicino a sistemi critici per la sicurezza come l’acceleratore e i pedali del freno. Nei moderni sistemi di tipo “drive-by-wire”, i movimenti dei pedali in questione, sia durante la pressione sia durante il rilascio, sono misurati in tempo reale dai sensori di posizione rotativi: i sensori inviano le loro uscite alle unità elettroniche di controllo  che controllano l’azionamento dei freni o dell’acceleratore. Il problema della dispersione magnetica, tuttavia, non riguarda esclusivamente veicoli elettrici e ibridi. Molte vetture nuove sono dotate di un sistema di servosterzo elettrico. Il motore del servo sterzo elettrico applicando una data forza al meccanismo dello sterzo, genera anche un potente campo magnetico intorno al sensore di posizione, il quale resta sempre attivo per misurare l’angolo del rotore. Le uscite del sensore consentono al sistema di controllo del motore di gestire con precisione il motorino dello sterzo in modo da massimizzare la coppia e ridurre al minimo il rumore e le vibrazioni. Le case costruttrici di automobili sono preoccupate perché un campo di dispersione magnetica sufficientemente forte può causare la produzione di segnali in uscita distorti o falsi prodotti dai sensori di posizione magnetici tradizionali (non protetti). Un campo di dispersione molto forte, in alcuni casi, può persino arrecare danni permanenti al sensore. E questo aspetto ha un’importanza vitale, poiché il pedale del freno, il pedale dell’acceleratore e i sistemi sterzanti, in caso di guasto, possono mettere a grave rischio la vita del conducente, dei passeggeri e degli altri soggetti presenti sulla strada. Il sensore di posizione svolge un ruolo fondamentale in ciascuno di questi sistemi. Per esempio, le conseguenze di una lettura falsata dello spostamento del pedale del freno che registra solo un piccolo spostamento quando in realtà il conducente ha premuto il pedale a fondo per eseguire una frenata d’emergenza, potrebbero essere catastrofiche. Pertanto l’industria automobilistica sta comprensibilmente creando delle specifiche sempre più stringenti per il funzionamento sicuro dei sistemi che potrebbero essere esposti ai campi di dispersione magnetica. Le norme come la Iso 26262 (sicurezza funzionale) e la Iso 11542-8 (immunità ai campi magnetici) sono state concepite per eliminare il rischio di guasto, inclusi i guasti causati dai campi di dispersione magnetica. Infatti, l’industria automobilistica stabilisce degli standard di qualità molto stringenti anche per i componenti dell’abitacolo non correlati alle funzioni di sicurezza come manopole e pulsanti, i quali potrebbero anche essere controllati in maniera tradizionale con un semplice potenziometro. Molte applicazioni industriali presentano requisiti altrettanto stringenti per la sicurezza e l’affidabilità. Ne consegue che i progettisti di sistemi che impiegano i sensori di posizione magnetici, prima ancora di iniziare un nuovo progetto, devono poter garantire che il loro sistema possa resistere alla potenza dei campi di dispersione magnetica provenienti da fonte esterne.

Costi delle contromisure meccaniche

Se si sceglie di incorporare un sensore di posizione magnetico di tipo convenzionale, i progettisti sono costretti a dotarlo delle dovute contromisure per proteggerlo dai campi di dispersione magnetica. Dal momento che i campi di dispersione sono presenti per la maggior parte del tempo, una contromisura diffusa è la schermatura del sensore con dei materiali speciali, in particolare le leghe metalliche a elevata permeabilità magnetica come permalloy o mu-metal. Questi materiali, purtroppo, presentano un problema: non bloccano il campo magnetico, bensì lo assorbono, fornendogli un percorso per mantenerlo a una data distanza dal sensore. Tuttavia l’effetto di assorbimento in questione non è selettivo: può influire anche sul campo del magnete accoppiato al sensore (ossia montato sull’oggetto misurato dal sensore, per esempio un rotore del motore o un albero collegato a un pedale dell’acceleratore o del freno). Questo fenomeno potrebbe distorcere le misure di posizione del sensore. Per evitare questi effetti indesiderati sul campo del magnete accoppiato, si dovrà mantenere una distanza minima tra il magnete e i materiali di schermatura. Di conseguenza, aumenteranno gli ingombri del sistema di rilevamento completo, che dovrà essere abbastanza grande da contenere l’indispensabile spazio d’aria tra il sensore e il materiale schermante. Vi è anche un altro svantaggio considerevole di questo metodo di protezione basato sulla schermatura: le leghe metalliche speciali sono molto costose e fanno lievitare la spesa per i materiali, e anche il peso. Inoltre, il loro assemblaggio è più complicato e dispendioso. Infine, spesso non si tiene conto dei costi relativi al tempo necessario per progettare, valutare e verificare un progetto di schermatura che possa garantire la conformità con le norme di sicurezza in materia. Questa fase di sviluppo può durare mesi, in quanto gli ingegneri dovranno cercare il giusto compromesso tra protezione e costi.

I vantaggi dell’immunità incorporata

Considerato quanto sopra, il sistema di rilevamento di posizione ideale dovrebbe essere un sistema che possa beneficiare della durata e dell’affidabilità offerte dalla tecnologia magnetica, ma che possa fare a meno delle contromisure complesse e costose descritte in precedenza. Questo risultato può essere raggiunto quando si utilizza un sensore di posizione magnetico con immunità integrata, in grado di resistere anche ai campi di dispersione più forti (fino a 50mT). Il produttore di sensori ams offre ai progettisti di sistemi l’immunità incorporata grazie all’applicazione di una nuova architettura: la sua tecnologia di rilevamento differenziale. Un sensore di posizione magnetico di ams come l’AS5147 presenta quattro elementi a effetto Hall integrati in una configurazione nord/est/sud/ovest. Questi elementi sono sensibili esclusivamente alle variazioni del campo magnetico nella dimensione z e non misurano il magnetismo nelle dimensioni x e y (ciò significa che sono intrinsecamente immuni alle variazioni dei campi di dispersione nelle dimensioni x e y). I quattro elementi a effetto Hall generano quattro forme d’onda sinusoidali quando un elemento magnetizzato diametralmente (a due poli) ruota su di loro. Ogni segnale è sfasato di 90° rispetto al segnale adiacente. L’amplificazione differenziale è applicata alle due coppie opposte di elementi a effetto Hall (ossia alle coppie poste a 180° l’una dall’altra). In questo modo si ottengono un segnale sinusoidale e uno cosinusoidale, entrambi con ampiezza raddoppiata. Questi segnali sono digitalizzati e successivamente elaborati da un calcolatore digitale integrato Cordic (COordinate Rotation DIgital Computer), che esegue una funzione matematica di arcotangente. L’algoritmo restituisce una misurazione angolare e una misura della grandezza del campo magnetico rilevato. Il principio di funzionamento differenziale annulla in modo intelligente qualsiasi campo di dispersione magnetica (esterno). Questo risultato è dovuto al fatto che l’effetto di un campo esterno risulterà equivalente (o perlomeno con variazioni trascurabili) su tutti e quattro gli elementi a effetto Hall. Dato che il sensore calcola la posizione in base alla differenza tra l’uscita delle due coppie di elementi a effetto Hall (e non sull’uscita assoluta di un singolo elemento), l’eventuale aumento della forza totale del campo magnetico intorno al sensore causata dal campo di dispersione non ha effetti sul sistema, anche se la forza di quest’ultimo è inferiore di diversi ordini di grandezza. L’uscita del sensore resterà completamente immune alle distorsioni.
L’utilizzo di un sensore basato sul principio del rilevamento differenziale offre diversi vantaggi pratici: il progettista sa che il sensore sarà immune per definizione ai campi di dispersione magnetica e questo consente di ridurre i costi di sviluppo, implementazione e verifica di un progetto di schermatura; elimina la necessità di includere i materiali di schermatura, riducendo i costi, le dimensioni e il peso dell’intero sistema; offre delle prove più verificabili e documentabili per l’ottenimento della conformità Iso 26262 e Iso 11542-8 richiesta dai produttori. Poiché la domanda di veicoli a trazione completamente elettrica o ibrida sta crescendo, incoraggiata dalle iniziative di emancipazione dai combustibili fossili intraprese dai governi, il numero di veicoli che dovranno affrontare il problema della potenza dei campi magnetici può essere solo destinato a crescere. Questo significa che gli utenti dei sensori di posizione magnetici dovranno prestare maggiore attenzione ai benefici offerti dall’immunità integrata alle interferenze magnetiche.

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