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Efecto Hall para detección de posición en ambientes hostiles

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Artículo técnico cedido en exclusiva para nuestro periódico sobre el efecto Hall como sistema de detección y escrito por Nick Czarnecki, director global de marketing para sensores magnéticos en la compañía Melexis.

Introducción

El magnetismo es una poderosa fuerza que permite una amplia gama de tecnologías que permiten grandes diferencias en el mundo; sin magnetismo no habría motores eléctricos, por ejemplo.

Pero también es fundamentalmente sensible a los campos creados natural y artificialmente, lo que le da la propiedad de ser utilizado en sensores. Un área donde las propiedades del magnetismo son totalmente explotables es la detección de posición sin contacto. A medida que todos los sectores continúan experimentando la marcha de la modernización, la automatización y la electrificación, los sensores de posición sin contacto continúan ofreciendo un enfoque de control fiable y versátil, lo que hace que la tecnología sea extremadamente influyente en nuestro mundo actual.

La detección de posición sin contacto es particularmente beneficiosa en aplicaciones industriales y de automoción, donde el mecanismo de control utilizado puede estar expuesto a acciones repetitivas en condiciones difíciles. De las muchas formas de implementar la detección sin contacto, el efecto Hall está establecido y ahora es una práctica bien entendida. Al acoplar este principio probado a los circuitos integrados avanzados, es posible desarrollar soluciones de detección sofisticadas que satisfacen las necesidades de una amplia gama de aplicaciones.

Efecto Hall en aplicaciones exigentes

Mientras que, en esencia, el efecto Hall es robusto, para desarrollar una implementación práctica del efecto Hall es importante comprender y controlar todos los factores que pueden causar perturbaciones. Esto incluye propiedades tales como variaciones en la temperatura ambiente, la influencia potencial de cualquier campo magnético parásito que pueda estar presente y las fuentes de vibración de los sensores.

Como se muestra en la Figura 1, los sensores de efecto Hall ahora se encuentran en múltiples aplicaciones dentro y alrededor de un vehículo. Esto incluye debajo del capó, donde las condiciones pueden ser más exigentes, así como en el habitáculo del vehículo. Las aplicaciones de tren motriz y chasis se enfrentan a desafíos debido al duro entorno operativo, donde las altas temperaturas y las fuentes externas de contaminación como el agua salada y la suciedad son comunes. Tales entornos son muy exigentes para cualquier sensor; no solo desafían limitaciones de espacio y orientación, sino que también deben cumplir con los requisitos más estrictos en términos de fiabilidad y compatibilidad electromagnética, al tiempo que brindan la funcionalidad requerida.

Efecto Hall para detección de posición en ambientes hostiles
Figura 1: la detección de posición es fundamental para los automóviles y motocicletas modernos

Dentro de un sensor Triaxis® Hall

Efecto Hall

El efecto Hall describe la perturbación del flujo de los portadores de carga en un conductor, causada por la presencia de un campo magnético perpendicular a su base. La redistribución resulta en una diferencia potencial entre el material conductor, conocido como voltaje Hall, que puede detectarse electrónicamente.

Figura 2: Principio del Elemento Hall
Figura 2: Principio del Elemento Hall

La diferencia de potencial es proporcional a la orientación y fuerza del campo magnético; Es este cambio proporcional el que permite utilizar el voltaje Hall en aplicaciones de detección. El efecto es demostrablemente fiable y bajo las condiciones adecuadas también predecible. Esto significa que la teoría se puede aplicar en cualquier aplicación que implique el movimiento relativo entre dos objetos, aplicando un imán a uno y un CI sensor Hall al otro.

Triaxis®: concentrador magnético integrado

Si bien un elemento Hall estándar, plano, solo puede detectar el campo percibido en el eje Z, el uso de hardware patentado y algoritmos avanzados puede generar mediciones tridimensionales que se pueden usar para determinar la posición en casi cualquier orientación, como se muestra en la Figura 3 La incorporación de esta tecnología con uno o más elementos Hall ha dado como resultado la tecnología Triaxis®.

Figura 3: Principio de Triaxis® IMC
Figura 3: Principio de Triaxis® IMC

Esta medición de tres ejes está habilitada por el Concentrador magnético integrado o IMC. Desarrollado por Melexis, el IMC permite que un sensor de efecto Hall determine simultáneamente las intensidades de campo de flujo que fluyen en los ejes X, Y y Z.

En detalle, el IMC doblará las líneas de campo de la dirección X y la dirección Y, de modo que el Elemento Hall plano podrá percibir y medir ese campo. Por lo tanto, es posible detectar los tres componentes de flujo magnético Bx, By y Bz con elementos Hall planos.

Cadena de Señal

La cadena de señal para un sensor de efecto Hall generalmente incluirá un elemento programable que aplica compensación y linealización según la aplicación, algunas soluciones ahora integran estos elementos en un solo dispositivo. Para sensores rotativos como los conectados a motores, la salida puede ser una representación codificada del ángulo. Para otros tipos de sensores, la salida puede ser simplemente una medida básica para el procesamiento posterior por un dispositivo host. Lo importante en todos los casos de uso es la capacidad de ajustar la solución.

Figura 4: Ejemplo de diagrama de bloques funcional de un sensor magnético: el MLX90372, un sensor de posición de efecto Hall Triaxis®
Figura 4: Ejemplo de diagrama de bloques funcional de un sensor magnético: el MLX90372, un sensor de posición de efecto Hall Triaxis®

Generación de señal: detección del imán

Para desarrollar una señal útil, la primera etapa es el elemento sensor Triaxis®, formado mediante el acoplamiento del elemento Hall (Figura 1) con el IMC (Figura 2). Juntos, esto traduce la posición absoluta de un imán, moviéndose linealmente o mediante rotación angular, en un voltaje Hall muy bajo, a niveles en la parte de varios μV.

Como el elemento sensor responde a la densidad de flujo magnético en tres ejes, convertirlo a un solo voltaje crea lo que ahora podemos considerar nuestra «señal».

Amplificación de Señal

En este nivel, la señal es débil y puede confundirse fácilmente con el ruido y otros elementos parásitos. Por lo tanto, para hacer que la señal sea útil, se alimenta a una etapa de amplificación, para luego ser adaptada y escalada a la aplicación. A través de esta cadena de señal se genera una señal más fuerte y robusta.

Cabe señalar que este paso es crucial y debe cumplir con los requisitos de la aplicación con respecto al campo mínimo y máximo que puede percibir el CI sensor. Si la señal es demasiado pequeña o grande en la fuente, probablemente estaría fuera de los límites funcionales de la etapa de amplificación.

Conversión de la señal analógica en una señal digital

Yendo más allá, la señal amplificada ahora forma la entrada a la etapa de convertidor analógico a digital (ADC). En este punto, se mueve al dominio digital, permitiendo que la señal se ajuste aún más para la aplicación.

Procesamiento de señales digitales

A partir de aquí, la representación digital de la salida del sensor pasa al procesador de señal digital (DSP), ejecutando algoritmos almacenados en la memoria del chip. Esto permite un procesamiento adicional, como la linealización y la compensación de temperatura. El DSP también puede realizar un filtrado digital para eliminar los efectos del ruido del sistema, así como procesar los resultados de diagnóstico.

El procesamiento de señal digital (DSP) es una tecnología crítica a este respecto, ya que permite que los algoritmos complejos se conviertan en parte del sistema general, profundamente integrados en el sensor, lo que hace que sea mucho más simple, desarrollar soluciones de detección robustas que sean estables en todas las condiciones de funcionamiento previstas y muestren excelente linealidad. Si bien este nivel de procesamiento de señal digital puede introducir cierta latencia, es útil en la mayoría de las aplicaciones, por lo que deberá incluirse en algún momento de la cadena de señal general. Sin embargo, para aquellos que no requieren estas características, las opciones también están disponibles sin DSP para evitar cualquier latencia de procesamiento asociada.

La inclusión de la tecnología DSP permite aplicar el filtrado digital en la fuente, al tiempo que ofrece un tiempo de respuesta de paso de alrededor de 500 μs a 2 ms. Otros beneficios de un DSP integrado incluyen la aplicación de compensación no lineal, un método primario para ajustar un sensor a una aplicación específica. También permite calibrar el elemento sensor para que coincida con las características del imán; Esta es una característica potente y valiosa, ya que permite el uso de prácticamente cualquier tipo de imán, desde una variedad de formas hasta diferentes químicas, como ferrita o imanes de tierras raras.

Esencialmente, la calibración implica tomar una serie de mediciones en varios puntos en las posibles excursiones para un sensor de posición y usarlas para interpolar la salida del sensor para cualquier posición posible. Como el funcionamiento de un sensor Hall depende del imán y la configuración mecánica, es poco probable que la salida sea de naturaleza lineal. Al construir un perfil de la aplicación, la cadena de señal del sensor puede compensar estas no linealidades en la salida que provienen de errores mecánicos como la desalineación del imán.

Señalización para comunicación externa

Finalmente, la etapa de salida formatea la señal en el protocolo requerido.

La forma en que estos sensores interactúan con el resto del sistema también está evolucionando con el soporte de protocolos estándar de la industria como SENT (SAE J2716) y PSI5, así como formatos genéricos como PWM, SPI, I2C o voltaje analógico.

Triaxis® apto para ambientes hostiles

Solución Melexis

Figura 5: Ilustración de la flexibilidad que ofrece TriaxisⓇ
Figura 5: Ilustración de la flexibilidad que ofrece TriaxisⓇ

Además de permitir una medición en tres ejes con un solo circuito integrado (CI), otro beneficio importante de Triaxis® es que permite utilizar imanes más pequeños y de menor coste, que se pueden montar en casi cualquier orientación.

La incorporación del IMC ofrece una alta precisión incluso cuando se utilizan imanes de bajo coste, ya que permite que el sensor sea menos sensible a los artefactos no deseados, como las variaciones en la intensidad de la densidad de flujo que pueden resultar de cambios de temperatura, proximidad e incluso desgaste mecánico. Estos beneficios se extienden a las características de transferencia de salida, a través de la compensación de linealidad utilizando calibración multipunto o multisegmento. Esto puede llevarse a cabo después de la producción, lo que permite corregir los errores de montaje, como la inclinación, el eje o la variación de la fuerza magnética.

Los beneficios y requisitos de la calificación AEC-Q100 se comprenden bien. El cumplimiento continuo de estos requisitos es una confirmación más de que la línea de productos Triaxis es apta para el entorno automotriz más severo, como se confirmó con la comercialización de más de 1.000 millones de circuitos integrados de sensores Triaxis® en campo.

Nuevos Desafíos

Inmunidad Stray field

Las últimas mejoras en la detección de efecto Hall con tecnología IMC también proporcionan una mayor inmunidad a los campos dispersos (stray field) magnéticos, según la especificación ISO 11452-8 (hasta 4 kA / mo 5mT). Esta característica permite que los sensores se ajusten para aplicaciones específicas de acuerdo con el entorno de trabajo.

A medida que los vehículos se electrifican cada vez más, aumenta el potencial de campos dispersos. Cualquier carga inductiva generará un campo magnético parásito, pero también pueden hacerlo las corrientes y voltajes eléctricos cada vez más altos que se utilizan dentro de los trenes de potencia híbridos y totalmente eléctricos. Esto solo ejerce más presión sobre los fabricantes de sensores para incorporar mayores niveles de inmunidad de campo perdido, y Melexis ha desarrollado con éxito la tercera generación de su sensor Triaxis® para proporcionar inmunidad de hasta 4 kA / mo 5 mT como el nivel más alto actual del automóvil estándar.

Envolvente

Cuando se trata del envolvente, muchos fabricantes ahora buscan integrarse lo más posible en un solo dispositivo. Esto reduce la cantidad de componentes periféricos requeridos por los sensores, que se deben en parte a la necesidad de cumplir con los requisitos específicos de EMC. Por ejemplo, un asiento con ajuste eléctrico con tres motores puede requerir hasta nueve sensores, ubicados cerca de los motores. Cada sensor normalmente requeriría su propia placa de circuito impreso (PCB), junto con conectores y componentes pasivos como condensadores, todo lo cual consume un valioso espacio. La adopción de sensores que integran los componentes pasivos necesarios y se suministran en envolventes que admiten el montaje sin PCB puede reducir drásticamente el espacio requerido para incorporar sensores de posición, así como simplificar el proceso de fabricación. Melexis es pionera en el uso de envolventes sin PCB que satisfacen con éxito esta necesidad.

Figura 6: paquete DMP-4 sin PCB con vista en corte que muestra silicio y componentes integrados
Figura 6: paquete DMP-4 sin PCB con vista en corte que muestra silicio y componentes integrados

Seguridad Funcional

ISO26262 es el último estándar para apoyar el desarrollo de aplicaciones en automoción críticas para la seguridad. La tercera generación del sensor de posición Melexis ha sido uno de los primeros en adoptar el estándar ISO26262 y ya logró la certificación de un desarrollo ASIL-C con el MLX90372 (lanzado el 26 de marzo de 2018).

Los sensores avanzados, como la familia Triaxis® de Melexis, pueden cumplir con los requisitos planteados por estos entornos difíciles al proporcionar opciones robustas de envolvente y ensamblaje, así como nuevas formas de reducir o eliminar los efectos de los campos diversos parásitos magnéticos.

Conclusión

Hacer un uso práctico del efecto Hall se basa en un procesamiento de señal relativamente sofisticado, habilitado por la tecnología de detección que se ha desarrollado y perfeccionado a través de años de experiencia. La introducción del IMC ha permitido a Melexis convertirse en el líder de la industria en detección de posición para automoción, ya que ha enviado más de 1000 millones de sensores de posición Triaxis®.

Con experiencia propia en detección de efecto Hall tridimensional, Melexis está en una posición única para satisfacer las demandas de las aplicaciones emergentes y ayudar a los sectores verticales a desarrollar soluciones más avanzadas.

A medida que los sectores de automoción e industrial se vuelven más autónomos y automatizados, la detección es un facilitador clave. Melexis está bien posicionada para satisfacer esa necesidad y continuará haciéndolo.

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