Моделирование Индуктивного Датчика Положения

Автомобили должны функционировать независимо от условий окружающей среды. Им необходимо уметь приспосабливаться к климатическим изменениям, таким как, например, колебания температуры. Следовательно, крайне важно создавать компоненты способные должным образом среагировать на изменение условий эксплуатации. Исследование функциональности одного из таких компонент — индуктивного датчика положения — было представлено на Конференции COMSOL, прошедшей в 2014 году в Кэмбридже.

Представьте себе, что вы едете по пустыне. Наступает ночь и, вместе с ней, резко падает температура. Вы замедляетесь и паркуетесь, останавливая машину в выбранном для стоянки месте.

При выполнении этой несложной программы действий, вы переключили скорость, машина это почувствовала и отреагировала соответствующим образом. Чтобы это произошло, электромеханические части автомобиля, такие как автоматическая коробка передач, должны корректно выполнять свои функции в изменившихся (падение температуры) климатических условиях. Компонент, называемый датчиком положения, используется в блоке автоматической коробки передач и в составе других устройств автомобиля, таких как, например, регуляторы положения сидений. Эти датчики положения должны надежно функционировать при различных условиях эксплуатации автомобилей.

Несколько примеров использования датчиков положения в автомобилях. Изображение предоставлено A. K. Palit, из его презентации на Конференции COMSOL Кэмбридж 2014.

Сотрудник компании Lemfoerder Electronic GmbH (ZF-Friedrichshafen AG Group, Германия) рассказал о своих результатах по моделированию индуктивного датчика положения на Конференции СOMSOL Кэмбридж 2014. Выбор им бесконтактного индуктивного датчика положения, в качестве объекта для моделирования, обусловлен его температурной стабильностью и низкой стоимостью. Обычно используемые датчики Холла проигрывают ему по этим показателям, так как изменение температурного режима ухудшает их характеристики при более высокой стоимости.

Для того чтобы проанализировать работу индуктивного датчика положения, исследователь использовал пакет программ для конечно-элементного анализа (FEA) среды COMSOL Multiphysics для создания частотно-зависимой модели планарной катушки индуктивности.

На рисунке изображен индуктивный датчик положения с красным контуром, показывающим форму активатора. Изображение предоставлено A. K. Palit, из его презентации на Конференции COMSOL Кэмбридж 2014.

Спиральные катушки индуктивности представляют собой планарную конструкцию и формируют ряд на верхней поверхности печатной платы (printed circuit board — PCB). Планарные катушки могут иметь различную геометрическую форму: квадрат, прямоугольник или окружность.

Модель также включает в себя активатор датчика (в данном случае, в виде ромба), который изготавливается из тонкой медной пластины и располагается на высоте от 0,2 до 0,3 миллиметров над плоскостью катушки. Он может двигаться, или скользить, горизонтально вдоль поверхности планарных катушек. Необходимо отметить, что хотя активатор может свободно передвигаться по горизонтали, расстояние по вертикали является фиксированным.

Когда медный активатор приближается к планарной катушке, возбуждаемые в нем вихревые токи, уменьшают индуктивность данной катушки. К примеру, на рисунке выше, у катушек 2, 3 и 4 индуктивность изменена из-за их расположения относительно активатора. Изменение индуктивности преобразуется в соответствующий сигнал напряжения, который позволяет определить местоположение активатора.

В описываемой до сих пор модели, рассматривалась ограниченная область перекрытия поверхности активатора с катушками на поверхности печатной платы (PCB). Это означает, что только ограниченное количество малоразмерных по протяженности участков витков планарных катушек задействованы в процессе генерации электрического сигнала, что, в свою очередь, может привести к неспособности датчика с высокой степенью надежности определить позицию активатора из-за результирующего уменьшения индуктивности катушек. Чтобы повысить надежность уровня срабатывания датчика, была также разработана модель двухслойной планарной катушки и проведено сравнение ее характеристик с однослойной версией.

В целом, датчик положения можно представить, как трансформатор с потерями, или со слабо связанными первичной и вторичной обмотками, и воздушным зазором.

За подробной информацией по моделированию этого устройства, обратитесь по ссылкестатья и презентация.

Моделирование помогает наглядно отобразить реальную функциональность датчика положения посредством определения изменения индуктивности планарных катушек по отношению к перемещению медного активатора над их поверхностью. В датчике положения, изменение горизонтальной координаты Xoff коррелирует с физическим изменением положения медного активатора относительно катушек. Обычно, положение Xoff активатора служит сигналом для приостановки или полной остановки трансмиссии (если речь идет об автомобильной коробке передач), но в данном моделировании это означает всего лишь максимальное уменьшение индуктивности планарной катушки. На этих графиках, Xoff = 0 обозначает центр планарной катушки. В этой точке, индуктивность должна принимать свое наименьшее значение, потому что в Xoff положении происходит максимальное подавление индуктивности. На приведенных ниже графиках наглядно представлено, как скольжение медного активатора с фиксированным вертикальным зазором вызывает изменения индуктивности на частоте 10 МГц.

Слева: Изменение индуктивности катушки (нГн) в зависимости от горизонтального положения Xoff (мм) медного активатора для однослойной планарной катушки. Справа: Изменение индуктивности катушки (нГн) в зависимости от горизонтального положения Xoff (мм) медного активатора для двухслойной планарной катушки. Изображение предоставлено A. K. Palit, из его презентации на Конференции COMSOL Кэмбридж 2014.

Хотя обе кривые внешне очень похожи, между ними имеются существенные различия. На графике для однослойной планарной катушки видно, что скольжение активатора вдоль катушки вызвало изменение индуктивности на величину приблизительно 49%. Это же значение для двухслойной планарной катушки составило величину свыше 53%. При этом абсолютное значение индуктивности двухслойной катушки намного больше. Это вполне закономерные результаты, так как катушка с большей рабочей областью должна обладать большей индуктивностью. Большая величина индуктивности (и, соответственно, больший диапазон ее изменения) означает более надежное детектирование положения медного активатора в случае двухслойной планарной катушки.

Слева: Квадрат модуля (норма) плотности магнитного потока от однослойной планарной катушки. Справа: Норма плотности магнитного потока от двухслойной планарной катушки. Изображение предоставлено A. K. Palit, из его презентации на Конференции COMSOL Кэмбридж 2014.

Кроме этого, также был рассчитан квадрат модуля (норма) плотности магнитного потока (мТл) для одно-и двухслойной модели на частоте 10 МГц. Из этих расчетов, мы можем увидеть изменение магнитного потока в воздушном пространстве модели. Хотя эти два изображения нельзя сравнивать непосредственно, так как изображение двухслойной модели показано в большем масштабе, плотность линий потока у двухслойной катушки выглядит заметно большей. Это указывает на то, что магнитное поле двухслойной планарной катушки является большим, чем в альтернативном случае. Что является еще одним свидетельством того, что двухслойная планарная катушка обладает лучшими характеристиками для детектирования точного положения активатора.

Информация, полученная с помощью моделирования индуктивного датчика положения, позволила исследователю сделать шаг вперед и создать оптимизированную конструкцию, которая способна функционировать в различных условиях эксплуатации автомобилей. Оптимизация конструкции была достигнута за счет исследования того, что влияет на функциональность датчика. Исследовалось влияние таких факторов, как расстояние между элементами устройства (а именно, вертикальное и горизонтальное положение активатора), геометрия и размеры элементов на эффективность и чувствительность индуктивного датчика. В ходе исследований было обнаружено, что индуктивность катушки уменьшается, когда активатор находится напротив центра планарной катушки на расстоянии 0.2 мм и менее. Результаты данного моделирования были непосредственно использованы при разработке блока автоматической коробки передач для немецкого автомобиля.