Rilevare la posizione angolare in ambienti termicamente difficili ed elettricamente disturbati può essere semplice adottando la tecnologia Hella di rilevamento a induzione, alternativa a quella ad effetto di Hall.
Per rilevare la posizione angolare in dispositivi attuatori e sensori per automotive attinenti al motore endotermico ma non solo, esistono varie soluzioni: potenziometri rotativi, encoder rotativi ottici o capacitivi, sensori ad effetto di Hall. Ma da qualche anno è disponibile una tecnologia innovativa proprietaria Hella che trova sempre più impiego e che si basa su un sensore di prossimità basato sul principio dell’induzione elettromagnetica e sulle correnti parassite (eddy currents). Tale sensore è costituito da uno statore che comprende una bobina di eccitazione, bobine riceventi e un’elettronica di valutazione, oltre che da un rotore formato da una o più spire in cortocircuito, caratterizzate da una determinata geometria. Il sensore che rappresenta la manifestazione di tale tecnologia è di fatto un un encoder rotativo induttivo e viene chiamato CIPOS, acronimo di Contactless Inductive Position Sensor; permette di misurare con precisione la posizione angolare senza contatto fisico, il che si traduce in una durata dei sensori siffatti molto più elevata di quella dei potenziometri, in quanto non c’è lo strisciamento del cursore né l’usura che ne deriva. I sensori di posizione CIPOS hanno una migliore tolleranza nei confronti della temperatura (funzionano fra -40 e 170 °C) e risultano insensibili alle condizioni tipiche dell’ambiente automotive, particolarmente impegnative nel vano motore.
Il sensore di posizione angolare CIPOS viene adottato da Hella nel rilevamento della posizione dei pedali acceleratore elettronici, nei corpi farfallati e negli elettroattuatori per turbocompressori VGT, oltre che in sensori generici applicabili al bisogno.
La Figura 1 propone la vista interna di un sensore di posizione della valvola a farfalla di un corpo farfallato elettroattuato della Hella, dove serve a comunicare alla ECU motore la posizione assunta in modo da fornire una retroazione sul comando del motorino elettrico.
Rilevamento a induzione: come funziona
Il sensore CIPOS per il rilevamento induttivo della posizione angolare si basa su un PCB sul quale sono collocate alcune bobine realizzate da piste in rame, opportunamente disposte, divise in due categorie: trasmittenti e riceventi. Queste bobine su circuito stampato costituiscono gli avvolgimenti statorici. In loro corrispondenza e coassialmente, è posto un rotore che a sua volta contiene una bobina, la quale diverrà l’avvolgimento rotorico (ricevente); la sagoma della bobina di tale rotore è quella di un anello piatto con tre settori a spicchio e altrettante cave. Il rotore può essere un ulteriore PCB sul quale sono ricavate delle piste in rame che costituiscono la bobina ricevente avente la sagoma della forma descritta; questo secondo stampato è fissato al perno o mozzo che permette il collegamento meccanico all’elemento di cui il sensore deve rilevare la posizione angolare. Nel caso della Figura 1, invece, la spira del rotore è applicata a un ingranaggio di materiale plastico (non può essere metallico perché interferirebbe con il funzionamento).
La struttura del sensore CIPOS è essenzialmente quella proposta nella Figura 2, la quale mostra i due circuiti stampati dello statore con elettronica e del rotore, privati dell’involucro.
Le piste costituenti le bobine trasmittenti dello statore vengono opportunamente pilotate in corrente alternata da un circuito integrato controller (un ASIC) montato sullo stesso PCB dello statore e in conseguenza di ciò irradiano un campo elettromagnetico variabile in direzione del rotore, libero di ruotare perché collegato al mozzo o albero del dispositivo. La disposizione degli elementi è quella visibile nella Figura 3, ossia il rotore è parallelo al PCB dello statore e ruota mantenendosi sullo stesso piano a una distanza fissa; per praticità il rotore è rappresentato dalla sola pista in rame.
Essendo di rame (che è un ottimo conduttore di elettricità) la pista del rotore si comporta da cortocircuito, esattamente come il rotore di un motore elettrico a gabbia di scoiattolo: investito dalle linee di forza del campo elettromagnetico generato dalle bobine sul PCB, il rotore diventa sede di una tensione indotta che però, essendo un corpo unico, viene cortocircuitata e ciò determina a sua volta un campo elettromagnetico che va ad opporsi a quello che l’ha generato. L’interazione tra i campi elettromagnetici determina una variazione di corrente che viene rilevata e che è determinata dalla particolare forma a settori a spicchio del rotore, nel senso che dove ci sono i denti si verifica una maggiore intensità del flusso magnetico rispetto alle cave, dovuta sia alla minore distanza dalle bobine riceventi sullo statore, sia alla maggiore ampiezza dell’angolo formato dalle linee di forza del campo magnetico con la superficie del PCB contenente le bobine statoriche riceventi.
Ricordiamo che in una spira di filo di rame, cui può essere assimilata una bobina trasmittente del sensore CIPOS, il campo elettromagnetico prodotto ha la direzione dell’asse e il verso di una vite destra che ruota nel senso di spostamento della corrente. Per quanto riguarda l’intensità dell’induzione magnetica, essa ammonta a:
B = μ × I / 2𝛑 × d
dove I è la corrente che percorre la spira, µ la permeabilità del mezzo in cui il campo si propaga e d il diametro della spira.
Riassumendo, quando viene applicata una tensione alternata alla bobina trasmittente si crea un campo magnetico assialmente, che induce tensioni nel rotore, le quali, essendo il rotore un anello di cortocircuito, determinano una corrente la cui intensità, teoricamente infinita, nella pratica ha un’entità finita che dipende da molti fattori tra cui la resistività dell’anello rotore, l’intensità del campo elettromagnetico e l’orientamento, che nel caso del sensore CIPOS è perpendicolare e determina quindi la massima tensione indotta. Infatti, secondo l’Elettrotecnica l’induzione magnetica dovuta a una bobina alimentata a corrente variabile determina, ai capi del conduttore immerso nel campo, una tensione che varia in analogia con la corrente stessa. L’induzione determina una tensione indotta, il cui andamento nel tempo dipende dall’orientamento della spira rotorica rispetto alle linee di forza del campo elettromagnetico; questo perché il flusso magnetico
dipende strettamente dall’intensità dell’induzione magnetica e dalla superficie entro il quale lo si considera, secondo la relazione:
𝚽 = B × S × cos𝛂
dove B è il modulo del vettore induzione magnetica, S la superficie entro cui si considera il flusso (espresso in Weber) e 𝛂 l’angolo formato dall’asse della spira con le linee di forza del campo elettromagnetico statorico (Figura 4).
La corrente che circola nel rotore a sua volta va sviluppare un campo elettromagnetico resistente, il quale carica elettricamente il circuito che alimenta le bobine sul PCB, però investe anche le bobine riceventi sul circuito stampato.
Siccome la sagoma è quella di un anello dentato a tre settori, a seconda della posizione del rotore rispetto alle bobine nello statore su PCB vengono generati valori di tensione differenti ai capi delle spire riceventi. Tali valori vengono elaborati dall’ASIC deputato alla valutazione e quindi inviati all’esterno tramite sotto forma di segnale a tensione continua se trattasi di sensore stand-alone o elaborati dal controller del servomotore se il CIPOS è parte di un elettroattuatore.
L’interazione tra i campi elettromagnetici coinvolti nel funzionamento del sensore di posizione angolare Hella viene esemplificata dalla Figura 5, con in evidenza le spire trasmittenti e quelle riceventi.
IC per il rilevamento a induzione
La stessa tecnica adottata dal sensore CIPOS può essere trovata nel sensore induttivo AMS-Osram AS5715, dedicato ai motori elettrici automobilistici, industriali e ai servomotori. Questo dispositivo consente, abbinato a un sistema di bobine e ad un rotore, di ottenere una precisione sulla posizione angolare di ±0,3° con velocità di rotazione fino a 100.000 giri al minuto, anche su PMSM (motori sincroni a magneti permanenti) a quattro poli. Le capacità di rilevamento della posizione del rotore sono di prim'ordine e forniscono risparmi significativi in termini di costi, dimensioni e peso.
Il sensore di posizione induttivo AS5715 può essere utilizzato in topologie in asse (all’estremità dell’albero) e fuori asse (lato dell'albero o albero passante) e con una varietà di motori a più paia di poli.
Le uscite di misura sono simili a quelle di un risolutore (encoder induttivo, altrimenti detto resolver) in quanto l’AS5715 dispone di due coppie di uscite analogiche differenziali SIN/COS.
Il componente della AMS-Osram è qualificato AEC-Q100 Grado 0 e conforme ISO 26262.
Per l’AS5715 è disponibile una evaluation board che dispone di componenti periferici, sensori e tutti gli altri componenti esterni necessari; la connessione con l’esterno è a 6 pin di cui due per l’alimentazione, due per l’interfaccia I²C e altrettanti per l’uscita analogica.
Nella Figura 6 è proposto lo schema applicativo (con la rappresentazione interna a blocchi) dell’integrato, dove TX è la bobina irradiante su PCB, mentre RX1 e RX2 sono le bobine riceventi, in numero di due per ottenere un rilevamento differenziale del campo magnetico accoppiato in aria
Una tecnologia, più applicazioni
La soluzione CIPOS viene utilizzata nei sensori del pedale acceleratore, in quelli di posizione angolare del piantone dello sterzo e dei corpi farfallati elettroattuati; è anche alla base di un sensore generico di posizione angolare applicabile a vari attuatori, oltre che nell’attuatore rotativo universale Hella Smart URA.
Lo Smart URA (Universal Rotary Actuator) è un attuatore nato per motorizzare elettrovalvole di alimentazione o dei circuiti di raffreddamento dei motori nell’ambito dei termostati elettronici (Thermo-management Module) oggi utilizzati da varie case automobilistiche.
Viene anche impiegata negli elettroattuatori Hella per i turbocompressori a gestione elettronica VGT (a geometria variabile), nei quali consente di verificare la posizione della leva di azionamento delle palette statoriche impostata dal motorino elettrico di azionamento; in questa particolare applicazione la tecnologia CIPOS manifesta i suoi benefici in fatto di insensibilità al forte calore presente vicino al motore, di durata e stabilità, rispetto all’adozione del classico potenziometro rotativo coassiale agli ingranaggi del motoriduttore o anche dei sensori ad effetto di Hall, rispetto ai quali presenta una migliore robustezza nei confronti delle EMC.
Interfacciamento del sensore
I dispositivi CIPOS possono fornire il segnale in tensione corrispondente alla posizione angolare in varie forme: se sono incorporati in un servomotore, il segnale viene di norma gestito internamente per correggere eventuali aberrazioni di posizione e in generale come feedback del movimento impostato; se invece sono destinati al collegamento con ECU e unità elettroniche di gestione di vario genere a bordo dell’automobile, viene digitalizzato (a 14 bit di risoluzione) ed elaborato dall’ASIC che lo rende disponibile in formato compatibile con quello delle interfacce comunemente utilizzate per i sensori del settore automotive come il PWM, la tensione analogica (il sensore universale di posizione offre un segnale raziometrico o assoluto compreso fra 0,5 e 4,5 V) il protocollo digitale SENT, ma anche i formati SPC, PSI5 ed SPI.
