הקדמה
חיישני המיקום ומקודדי המיקום נפוצים ביישומים של כלי רכב וביישומים תעשייתיים, במקום שבו חיוני שמיקום המערכת יהיה ידוע בכל רגע. ואולם, חיישני מיקום ומקודדי מיקום קיימים יכולים לספק מידע אמיתי לגבי המיקום ברגע חיבור המתח (TPO), רק על פני סיבוב יחיד או 360O. במערכות שיש להן צורך במידע TPO של המיקום בסיבובים מרובים או בטווח מדידות רחב יותר, ישולב בדרך כלל גיבוי של מקור מתח כדי לעקוב אחר הסיבובים המרובים של חיישן בסיבוב יחיד לאחר הפסקת מתח לא צפויה, ולזכור אותם, או כדי לעקוב אחר התנועה בסיבובים מרובים בזמן כיבוי או ניתוק המתח. לחלופין, אפשר להוסיף למערכת מנגנון של תמסורת מורידה כדי להקטין סיבובים מרובים לסיבוב יחיד, ובשילוב חיישן סיבוב יחיד, לגלות את מידע TPO של מיקום בסיבובים מרובים. פתרונות אלו יקרים ומגושמים, ובמקרה של מערכת עם גיבוי מצברים, יש צורך בהסכם תחזוקה שוטף.
מקודדים סיבוביים וליניאריים הם התקני מפתח שמשמשים ביישומים שבהם מתכנן המערכת צריך להבטיח שהמיקום של מערכת מכנית יהיה תמיד ידוע לבקרת לולאה סגורה, גם לאחר הפסקת מתח, בין אם כחלק ממחזור פעולה רגיל או מקרי. האתגר העומד בפני מתכנני מערכות הוא להבטיח שמידע TPO של מיקום יהיה זמין אפילו לאחר הפסקת מתח. אם יאבד מצב המערכת, יהיה צורך בתהליך ארוך ולעתים אף מורכב כדי לאתחל את המערכת למצב ידוע.
פתרונות קיימים
מפעלים מודרניים הופכים להיות תלויים יותר ברובוטים ובקובוטים, על מנת להקטין את זמני המחזור, להגדיל את תפוקת המפעל ולשפר את היעילות. אחד הגורמים לעלות גבוהה ולחוסר יעילות הקשור ברובוטים וקובוטים סטנדרטיים ובמכלולי ציוד אוטומטי אחרים, הוא זמן ההשבתה שנדרש לצורך ביות מחדש ואתחול הפעלה, בעקבות הפסקת מתח פתאומית שמתרחשת תוך כדי פעולה. זמן השבתה וחוסר יצרנות אלו הם יקרים ולא יעילים. על אף שאפשר לפתור את הבעיה הזו עם מצברי גיבוי, זיכרון וחיישני סיבוב יחיד, לפתרונות אלו יש מגבלות משל עצמן. למארזי המצברים יש זמן שימוש מוגבל, ונדרשים הסכמי תחזוקה והסכמי שירות כדי לנהל את החלפות המצברים. בסביבות מסוימות, במקום שיש סכנת פיצוץ, האנרגיה המרבית שאפשר לאחסן במארז מצברים תהיה מוגבלת. אחסון אנרגיה מופחת מוביל למחזור תחזוקה מקוצר, שבו נדרש להחליף את המצברים לעתים קרובות יותר.
כחלופה למארז מצברים משתמשים במודולי קצירת אנרגיה בחוטי Wiegent. מודולים אלו משתמשים בחוט שעבר טיפול מיוחד, שבמהלכו הכפייה (coercivity) המגנטי של המעטפת החיצונית גבוהה יותר בהרבה מהכפייה של הליבה הפנימית. הכפיות השונות יוצרות נחשולי מתח ביציאה של ההתקן בעת סיבוב השדה המגנטי. אפשר להשתמש בנחשולים כדי לספק מתח למעגל חשמלי חיצוני ולתעד את מספר הסיבובים בזיכרון גישה אקראית פרואלקטרית (FRAM). לזיכרון המגנטי בסיבובים מרובים שפותח על ידי Analog Devices אין צורך במתח חיצוני כדי לבצע רישום של מספר הסיבובים של שדה מגנטי חיצוני. ותכונה זו מובילה להפחתת הגודל והעלות של המערכת.
טכנולוגיית חיישנים לסיבובים מרובים
בליבה של החיישן המגנטי לסיבובים מרובים קיים סליל מחומר התנגדות מגנטית עצומה (GMR) שעשוי מננו-חוטים מרובים של אלמנטי GMR. עיקרון הפעולה של החיישן מבוסס על אנאיזוטרופיה צורנית ועל יצירת דפנות תחום במחולל דופן תחום, בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. כאשר השדה המגנטי החיצוני מסתובב, דפנות התחום מתפשטים דרך נתיבים סליליים צרים (ננו-חוטים) שמחוברים אל מחולל דופן התחום, כפי שאפשר לראות באיור 1.
איור 1: עיקרון הפעולה בסיבובים מרובים.
איור 2: תרשים בלוקים של חיישן ADMT4000 לסיבובים מרובים.
כאשר דפנות התחום נעים דרך המבנים של הרגל הסלילית, ישתנה המצב של כל אלמנט ברגל הסלילית. מאחר שהאלמנטים מיוצרים מחומר GMR, אפשר לקבוע מה המצב של כל אחד מהם, על ידי מדידת ההתננגדות שלהם. החיישן מסתמך רק על השדה המגנטי החיצוני, ואין צורך במתח גיבוי נוסף או בטכניקה לקצירת אנרגיה לפעולה של ספירת הסיבובים. כאשר מחברים שוב מתח לחיישן, אפשר לבצע קריאה של מצב ספירת הסיבובים, ללא כל צורך בפעולות נוספות של המשתמש או באתחול המערכת.
פתרון טכנולוגיה משולב שמפשט את תכנון המערכת
דיאגרמת הבלוקים ברמה העליונה של ADMT4000, שנראית באיור 2, משלבת את החיישן GMR לסיבובים מרובים שתואר קודם לכן, עם חיישן זווית AMR מדויק במיוחד ועם מעגל משולב (IC) לשיפור האותות, כדי לקבל פתרון שמאפשר לבצע רישום של תנועה ב- 46 סיבובים או ב- 16,560°, בדיוק אופייני של ±0.25°. המעגל המשולב לשיפור האותות, מוסיף עוד שיפורים למערכת, כדי לתמוך בכיול הרמוניות, שיכול לסלק שגיאות שנובעות מטולראנסים (אפיצויות) מגנטים ומכניים מהיישום. החיישן ADMT4000 מספק יציאה דיגיטלית של 46 סיבובים (0° עד 16,560°) מוחלטים, דרך ממשק SPI או ממשק SENT. החיישן ADMT4000 ממוקם מול מגנט דו-קוטבי שמותקן על הציר המסתובב, כפי שמתואר באיור 3.
איור 3: מכלול היישום הטיפוסי של חיישן ADMT4000
ADI מכינה תכנון לתיעוד מגנטי שיאפשר למשתמשים עם מעט או בלי יכולות תכנון מגנטי כאלו, לאמץ בקלות את ה- ADMT4000 ביישום שלהם. בנוסף לתכנון מגנט הליבה, תכנון לייחוס זה יספק גם חסינות וקשיחות מול השדות המגנטים התועים, ובכך יאפשר ללקוחות לממש את החיישן בסביבות קשות. שדות תועים יכולים להיווצר ממקורות רבים שבהם מועברים זרמים בחוטים, במיוחד, כאשר הם משמשים בסמיכות קרובה למנועים חשמליים או לאקטואטורים.
ביישומים תעשייתיים רבים, שבהם נכללים ניתוב מיקומים של מפרקי זרוע ברובוטים ובקובוטים, ליכולות של ADMT4000 יש ערך רב במקרה של ניתוק מתח או במהלך הפסקת חשמל (ראה איור 4). יישומים תעשייתיים אחרים כוללים את המעקב המוחלט ומעקב TPO של שולחנות x-y באוטומציה תעשייתית, במכונות כלים או ביישומים של ציוד רפואי (נראה באיור 5). יישומים אחרים מסיבובי לקווי כוללים, אך לא בלבד, את ספירת הכריכות של ליפופים, תופים, סלילים, גלגילות, מנופים, כננות ומעליות (איור 6) בעת חיבור מתח או בעת ניתוב תנועה בזמן ניתוק מתח או במהלך הפסקת חשמל.
איור 4: חיישן ADMT4000 ביישום רובוט/קובוט.
איור 5: חיישן ADMT4000 ביישום אקטואטור סיבובי לקווי.
איור 6: יישומי מקודד של משיכת כבלים.
נוסף על כך, לחישת TPO של מיקום שמסופקת על ידי ADMT4000 יש ערך משמעותי ביישומי רכב, לרבות אך לא בלבד, אקטואטורי תמסורת (איור 5), היגוי הגה כוח חשמלי EPS)) כולל היגוי בעזרת כבלים (איור 7), אקטואטורי נעילת חניה, אקטואטורים אחרים לשימוש כללי ומותחני חגורות בטיחות (איור 8).
איור 7: יישום של היגוי בעזרת כבלים
איור 8: יישום של מותחן חגורת בטיחות.
הגודל, העלות וטווח טמפרטורת ההפעלה של החיישן ADMT4000 מאפשרים להשתמש בו בטווח רחב של יישומים לרבות יישומים קריטיים לבטיחות במרחב של כלי רכב ובמרחב התעשייה. יישומים קריטיים לבטיחות בכלי רכב תואמים לתקן ISO26262 ובמיוחד לרמת שלמות הבטיחות בכלי רכב (ASIL). החיישן ADMT4000 יסופק לפי ASIL-QM או לפי ASIL-B (D) כדי להתאים ליישומים בין אם נדרשת להם פונקציונליות מתקדמת ASIL או SIL או לא.
מסקנה
החיישן ADMT4000 וחיישן TPO למיקום בסיבובים מרובים שמיועדים להפחית באופן משמעותי את המורכבות והמאמצים הכרוכים בתכנון המערכת, מובילים בסופו של דבר לפתרונות קטנים יותר, קלים יותר ובעלות נמוכה יותר. קלות השימוש בחיישן ADMT4000 תאפשר הוספה של פונקציונליות חדשה ומוכחת ליישומים הקיימים שלהם ופתיחת הדלת בפני יישומים חדשים רבים, על ידי אנשי תכנון בין אם יש להם יכולות תכנון בתחום המגנטי או אם אין להם.
לפרטים נוספים על החיישן ADMT4000 ועל התכנון המגנטי לייחוס, צור קשר עם אנשי צוות המכירות המקומי של ADI שישמחו לענות על שאלותיך, או בקר בכתובת analog.com/magnetics.
