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La detección magnética en aplicaciones modernas de automoción debe ser inmune a los campos magnéticos dispersos

La eficiencia es la “consigna” en los círculos de automoción en estos días, impulsada por consumidores ambientalmente conscientes, legislación y costes de combustible en aumento. La industria está buscando tecnología para ofrecer los avances necesarios, ya sea en el desarrollo de los últimos Vehículos eléctricos (VE) / Vehículos híbridos eléctricos (VEH), o en la búsqueda de formas de hacer que los vehículos con motor de combustión interna (ICE) sean más eficientes. Si bien muchas cosas son inciertas en el mundo de la automoción, es una apuesta segura decir que la tecnología está aquí para quedarse. Un área importante de cambio es que muchas aplicaciones en vehículos se están volviendo eléctricas o electrónicas donde, en el pasado, pueden haber sido mecánicas o hidráulicas. En esta lista se incluyen los cuerpos del acelerador eléctrico, las bombas eléctricas de fluido, los turbocompresores eléctricos y, especialmente, el tren de potencia eléctrico en VE y VEH que funcionan con baterías. El cambio a la electricidad no solo hace que los vehículos sean más eficientes, sino que también los hace más fiables y ligeros. A medida que los vehículos se vuelven más ligeros, la eficiencia aumenta. Sin embargo, todas estas partes móviles requieren una detección precisa y fiable de la posición de las partes móviles para que la unidad de control pueda gestionar el sistema. Dado el deseo de exprimir cada kilo de eficiencia del vehículo, se requieren altos niveles de precisión. La detección de posición de las partes móviles no es nueva, y los sensores resistivos u ópticos se han utilizado para medir tanto la posición lineal como la de rotación durante muchos años.

Si bien estos métodos pueden funcionar bien, son susceptibles al polvo, la suciedad y las vibraciones que a menudo están presentes en los vehículos, y siendo dispositivos mecánicos por sí mismos, son propensos al desgaste. Ahora, la detección magnética está llegando a un primer plano: esta tecnología altamente precisa no se desgasta y no se ve afectada por efectos ambientales como la suciedad, el polvo y la vibración. Si bien la detección magnética representa un importante paso adelante en términos de fiabilidad, generalmente es susceptible a campos magnéticos dispersos, lo que presenta un desafío para los diseñadores de vehículos, especialmente cuando el contenido electrónico de los vehículos prolifera. Los motores eléctricos que conducen VE y VEH requieren cantidades significativas de corriente eléctrica y, por lo tanto, producen fuertes campos magnéticos alrededor de los cables que suministran la corriente eléctrica desde la batería o el alternador hasta el motor. También son relevantes las corrientes más bajas necesarias para impulsar las bombas de dirección asistida electrónica (EPS), abrir ventanas, abrir / cerrar cualquier techo solar u otros dispositivos de accionamiento eléctrico en el vehículo, ya que estos también crearán campos magnéticos. Cualquier campo magnético perdido cerca de un sensor magnético afectará a la precisión de los sensores y potencialmente puede causar fallos de salida significativos, incluso resultados catastróficos.

Un techo solar que no se cierra correctamente es molesto. Sin embargo, un pedal de freno, un pedal de acelerador o un sistema de dirección que se detecta de manera inexacta tiene el potencial de amenazar la vida de los ocupantes del vehículo y las personas que se encuentran cerca. A medida que la industria de la automoción se toma muy en serio la seguridad, ha desarrollado estándares para determinar el impacto de los campos magnéticos perdidos. Las normas importantes incluyen ISO81452-8 que cubre las pruebas de inmunidad de campo magnético. Además, la norma ISO26262 define procesos y procedimientos para garantizar que el propio CI funcione correctamente y con seguridad durante el funcionamiento normal y cuando se produce un fallo. Dado que están diseñados para medir el campo magnético producido por un imán cercano que está conectado al elemento que se está midiendo, los sensores de efecto Hall tradicional planar y vertical y los sensores magnetorresistivos (MR) son sensibles a los campos dispersos que se encuentran en los vehículos. Dado que los campos magnéticos dispersos creados por las corrientes eléctricas (especialmente las enormes corrientes de los motores de transmisión principales) pueden ser grandes, no se puede confiar en la detección tradicional sin medidas para mitigar los campos dispersos. Con los sensores rotativos, los errores pueden ser de más de 10 grados, lo que es significativo, ya que los sistemas como las válvulas o los cuerpos del acelerador tienen una rotación máxima de 90 grados y mucho menos pedales, con a veces solo 15 grados de rotación. Dado esto, a pesar de los problemas de seguridad importantes en la dirección y el frenado, la unidad de control del motor (ECU) no podría gestionar de manera efectiva las funciones del motor y muchas otras funciones se verían afectadas significativamente. Hay dos opciones para los diseñadores que necesitan (o quieren) utilizar la detección magnética en los vehículos modernos. En primer lugar. El sensor magnético y el imán asociado pueden protegerse de campos dispersos. Esto requiere el uso de materiales con alta permeabilidad magnética, por lo que es complejo y costoso.

Debido a que el blindaje absorbe parcialmente los campos magnéticos, además de cambiar el recorrido, también puede tener un impacto negativo en el campo producido por el imán utilizado para medir la posición. Esto puede evitarse, pero se requiere espacio físico para lograrlo, aumentando el tamaño, el peso y el coste, todo esto debe evitarse en el diseño moderno de vehículos. El otro enfoque es usar un sensor magnético que sea intrínsecamente inmune a los campos magnéticos dispersos. Uno de estos sensores es el procesador de posición Triaxis® MLX90372 de Melexis. Este CI monolítico consta de un extremo delantero magnético Triaxis Hall, un acondicionador de señal analógico a digital, un procesador de señal digital (DSP) y un controlador de etapa de salida. El MLX90372 es sensible a tres componentes del flujo magnético aplicado al CI (Bx, By y Bz), por lo tanto, con el circuito magnético correcto, la posición absoluta de cualquier imán en movimiento se puede detectar, ya sea rotativa o lineal. La detección es completamente sin contacto y, como tal, no hay ningún mecanismo de desgaste. Tampoco se ve afectado por la suciedad, el polvo y los líquidos. El dispositivo incluye un modo inmune de campo perdido incorporado que permite una reducción sustancial o la eliminación de cualquier error causado por campos magnéticos dispersos de hasta 4 kA / m (o 5 mT). Como tal, puede usarse cerca del conductor de corriente u otros imanes en el vehículo.

El modo inmune de campo perdido solo requiere un imán simple de 4 polos para el movimiento giratorio y un imán simple de 2 polos para el movimiento lineal. Con un diseño magnético casi trivial, el error debido a campos dispersos se reduce a menos de 0,4 grados de error angular, que es un valor aceptable para la mayoría de los principales fabricantes de vehículos. Además, cualquier protección que pueda haber sido necesaria en el pasado puede eliminarse o reducirse sustancialmente, lo que resulta en un ahorro significativo de tamaño, peso y costes. El flexible MLX90372 ofrece un rango de medición programable, así como una Característica de Transferencia Lineal programable (basada en 4/8 puntos múltiples o 16/32 puntos lineales por pieza) que mejora la precisión general cuando sea necesario.

La comunicación con un procesador central se logra a través de marcos SENT que están codificados de acuerdo con un formato de Sensor Seguro y estos mensajes seriales mejorados pueden incluir códigos de error y valores definidos por el usuario. Se puede configurar una salida modulada en ancho de pulso (PWM), si se desea. El producto hermano, MLX90371, ofrece una salida de voltaje analógica radiométrica. El MLX90372 tiene altos niveles de robustez de EMC y está disponible en una versión de matriz única, así como en una versión de matriz doble totalmente redundante para las aplicaciones más críticas para la seguridad. La versión de una sola pastilla está alojada en un encapsulado SOIC-8, mientras que la versión de pastilla dual viene en un encapsulado TSSOP-16. También está disponible un encapsulado DMP-4 de matriz única para la instalación sin PCB en los espacios más reducidos o para el montaje directo en carcasas. Esto, junto con su robustez y su capacidad para cumplir con AS26-C ISO26262 con un solo troquel, lo hacen ideal para aplicaciones de automoción modernas y exigentes.

Resumen

La tecnología está a la vanguardia para hacer que los automóviles modernos sean más eficientes y fiables, ya sea que tengan energía eléctrica o que aún dependan del motor de combustión interna. A medida que más y más partes del vehículo se vuelven eléctricas para respaldar este objetivo, la detección es una función cada vez más importante. Sin embargo, los fuertes campos magnéticos dispersos en los vehículos modernos han presentado desafíos para los diseñadores que desean utilizar la detección de posición magnética. Hasta hace poco, el uso de sensores magnéticos tradicionales ha requerido un blindaje complejo, engorroso y costoso. Afortunadamente, los dispositivos Gen III Triaxis de Melexis, y el procesador de posición MLX90371 y MLX90372 en particular, son intrínsecamente insensibles a los campos magnéticos dispersos. Estos dispositivos resistentes son ideales para aplicaciones de automoción y eliminan la necesidad de protección, lo que simplifica mucho la tarea de diseño y reduce el peso, tamaño y coste del vehículo, al tiempo que aumenta la eficiencia y la fiabilidad.



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