IT202100030626A1 - Trasduttore di posizione angolare senza contatto. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
dell'invenzione industriale avente per titolo:
?Trasduttore di posizione angolare senza contatto.?
La presente invenzione concerne un trasduttore di posizione angolare senza contatto, in particolare di un trasduttore di tipo multigiro.
Sono noti nello stato della tecnica sensori angolari utilizzati per la rilevazione di misure di lunghezza o spessore, angoli e velocit?. Vengono comunemente impiegati in ambito industriale sulle macchine operatrici automatiche, in abbinamento a sistemi di conteggio, visualizzazione e controllo, per realizzare posizionamenti a programma, avanzamenti a passi predeterminati o pi? semplicemente visualizzare misure di grandezze fisiche. Inoltre vengono alloggiati nei principali organi mobili di un sistema meccanico di macchine utensili o di linee di produzione robotizzate, di veicoli industriali e agricoli o di macchine per la movimentazione di terra.
Attualmente esistono sensori di posizione angolare multigiro basati su diversi principi di funzionamento e normalmente realizzati in configurazione meccanica con albero 100 integrato nell?alloggiamento 200 del sensore, come visibile in modo schematico in Figura 1.
Per quanto riguarda i diversi principi di funzionamento si possono citare i pi? utilizzati associandone diverse limitazioni intrinseche.
Sensori rotativi multigiro a contatto di tipo potenziometrico dove una spazzola in rame-berillio striscia su una pista resistiva allogliata in un contenitore cilindrico. Il cursore muovendosi sulla striscia resistiva modifica la resistenza equivalente tra i due terminali della pista resistiva. La configurazione multigiro ? ottenuta integrando nella meccanica del sensore ingranaggi di demoltiplicazione dei giri. La rotazione ? imposta su un albero integrato nella meccanica del sensore a cui l?utilizzatore si aggancia dall?esterno. Tuttavia questa soluzione presenta diversi svantaggi tra i quali:
- usura nel tempo della spazzola mobile e del film resistivo dovuta al contatto fisico tra cursore e pista resistiva.
- giochi meccanici negli ingranaggi e nei cuscinetti che si presentano nel tempo dopo diversi cicli di utilizzo
- usura degli ingranaggi di demoltiplicazione dei giri
Sensori rotativi multigiro senza contatto di tipo ottico. Il metodo ottico si avvale di un disco di vetro o plastica con due serie di finestre lungo la circonferenza. Una sorgente luminosa a LED e i fotorilevatori sono collocati ai lati opposti del disco. Quando quest?ultimo gira, il passaggio o meno della luce attraverso le finestre genera le tipiche onde quadre degli impulsi delle uscite in quadratura. La soluzione multigiro utilizza un albero principale a cui sono associati in cascata uno o pi? riduttori meccanici. Tuttavia questa soluzione presenta diversi svantaggi tra i quali:
- possibilit? che la sezione ottica possa essere contaminata da emulsioni, polvere o olio rendendo impossibile la misura angolare.
- usura degli ingranaggi di demoltiplicazione dei giri.
Sensori rotativi basati su effetto induttivo. Questi ultimi utilizzano principi induttivi per misurare la posizione di un rotore rispetto allo statore. L?accoppiamento induttivo sugli avvolgimenti statorici varia in base alla posizione del rotore. Anzich? impiegare una tecnica costruttiva come quella impiegata nei trasformatori, i sensori induttivi per la misura di posizione angolare usano circuiti stampati sia per lo statore che per il rotore, rendendoli meno ingombranti, pi? accurati e meno costosi da produrre. Tuttavia questa soluzione presenta diversi svantaggi tra i quali:
- elevata complessit? costruttiva per la realizzazione di soluzioni multigiro che impongono ingombri meccanici significativi e ingranaggi di demoltiplicazione di grande precisione (con elevati costi di produzione).
- necessaria presenza di un albero integrato nel corpo sensore per la guida della sezione rotorica.
- usura degli ingranaggi di demoltiplicazione dei giri.
- elevata sensibilit? ai campi elettrici in prossimit? che impongono schermature elettromagnetiche di costo elevato
Sensori rotativi multigiro basati su effetto magnetico. La variazione del campo magnetico indotto dalla rotazione del magnete viene letta da uno o pi? elementi sensibili e tradotta in un segnale di posizione. Sono queste soluzioni molto in uso che ad oggi richiedono necessariamente un albero integrato nella meccanica del sensore che ha un duplice compito: imporre la rotazione del magnete permanente ed evitare che il magnete si possa muovere da una posizione prestabilita degradando le prestazioni metrologiche del sensore. Tuttavia questa soluzione presenta diversi svantaggi tra i quali:
- rottura dell?albero con perdita della posizione.
- giochi meccanici nei cuscinetti che si presentano nel tempo dopo diversi cicli di utilizzo.
- potenziale penetrazione di olii, emulsioni o acqua nel sensore attraverso il cuscinetto e/o le guarnizioni dell?albero.
Per quanto riguarda la realizzazione di un sensore multigiro in configurazione meccanica con albero integrato nell?alloggiamento del sensore (Figura 1) si possono subito indicare i principali svantaggi:
- rottura dell?albero portante per effetto di carichi trasversali accidentali che comporta la perdita della posizione angolare.
- usura prematura del cuscinetto 300 che alloggia l?albero in rotazione. L?usura comporta l?introduzione di errori nella misura dell?angolo per effetto di disassamenti dei cursori.
- la presenza dell?albero e del cuscinetto in caso di applicazioni in ambiente esterno con presenza di ghiaccio porta l?albero a bloccarsi perdendo la posizione angolare.
- la presenza di un cuscinetto e di un?interfaccia tra ambiente esterno comporta la potenziale penetrazione di polvere nel cuscinetto stesso bloccandolo.
- la presenza di un cuscinetto e di un?interfaccia tra ambiente esterno e scheda elettronica (con elementi sensibili all?interno della custodia sensore) comporta la potenziale penetrazione di acqua o emulsioni che comprometterebbero la funzionalit? della misura d?angolo.
In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione ? quello di fornire un trasduttore angolare di posizione senza contatto che sia pi? semplice di quelli noti.
In accordo alla presente invenzione, tale scopo viene raggiunto mediante un trasduttore di posizione angolare comprendente:
- un magnete permanente,
- mezzi sensibili non in contatto con detto magnete e magneticamente accoppiati con detto magnete,
- mezzi collegati elettricamente a detti mezzi sensibili e configurati per fornire in uscita detta posizione angolare, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensibili sono disposti in un primo alloggiamento e detto magnete ? disposto in un secondo alloggiamento separato da detto primo alloggiamento, detto magnete ? configurato per ruotare ed ? fissabile ad un elemento del quale si vuole rilevare la posizione angolare, detti mezzi essendo atti a misurare l?angolo di rotazione di detto magnete ed essendo configurati per fornire in uscita detta posizione angolare in risposta a detta misura.
Grazie alla presente invenzione ? possibile fornire un trasduttore di posizione angolare senza contatto che presenta numerosi vantaggi rispetto ai trasduttori noti. Infatti, esso ha una struttura pi? semplice di quelli noti. Inoltre non presenta un albero integrato con la custodia del sensore che potrebbe portare agli svantaggi descritti in precedenza.
Il trasduttore utilizza un magnete totalmente esterno alla custodia meccanica e preferibilmente fornisce una misura multigiro.
Il trasduttore di posizione angolare in accordo all?invenzione pu? essere alloggiato nei principali organi mobili di un sistema meccanico di macchine utensili o di linee di produzione robotizzate, distributori meccanici, in veicoli industriali ed agricoli o di macchine per la movimentazione di terra.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di sue forme di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempi non limitativi negli uniti disegni, in cui:
la figura 1 mostra un trasduttore di posizione angolare in accordo all?arte nota; la figura 2 mostra un trasduttore di posizione angolare in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione;
la figura 3 mostra una parte del trasduttore di figura 2;
la figura 4 ? uno schema che rappresenta il funzionamento del trasduttore di figura 2;
la figura 5 ? una sezione del trasduttore di figura 2;
la figura 6 mostra schematicamente il trasduttore di figura 2.
Le figure 2-6 mostrano un trasduttore di posizione angolare senza contatto, in particolare un trasduttore multigiro, in accordo ad una forma di realizzazione della presente invenzione. Il trasduttore di posizione angolare 1 comprende un magnete permanente 2 e mezzi 3 sensibili ai campi magnetici non in contatto con il magnete 2 e magneticamente accoppiati con il magnete stesso. I mezzi sensibili sono disposti all?interno di un contenitore 31 ed il magnete 2 ? esterno al contenitore 31 e non in contatto con esso; il magnete 2 ? disposto in un alloggiamento o portamagnete 21 separato dal contenitore 31. Il portamagnete 21 ? solidale ad un elemento 32, ad esempio un elemento filettato, atto ad accoppiarsi con un albero o altro elemento per rilevarne la posizione angolare. Il trasduttore comprende anche componenti elettronici 4 collegati elettricamente ai mezzi sensibili 3, disposti all?interno del contenitore 31 e configurati per fornire in uscita un segnale elettrico che ? proporzionale alla posizione angolare ? del magnete 2. Il magnete 2 ? polarizzato diametralmente ed ? preferibilmente realizzato in NdFeB, ferrite o SmCo; il contenitore 31 ? realizzato preferibilmente in alluminio o alternativamente in acciaio non magnetico AISI304 o AISI316 o in plastica.
I mezzi sensibili 3 sono preferibilmente due elementi MS1 e MS2, disposti l?uno al di sotto dell?altro come visibile in figura 5, per ottenere una misura ridondante. All?interno della custodia 31 sono presenti due schede elettroniche 41, 42 collegate elettricamente agli elementi MS1 e MS2 ed atte a fornire in uscita la posizione angolare del magnete permanente 2 attraverso i segnali Output1, Output2; infatti, nella configurazione ridondante il trasduttore prevede due strutture identiche duplicate all?interno dell?alloggiamento 31.
Il movimento angolare ? oggetto della misura (ad esempio da 0?? fino a 360? x 65535 giri) viene applicato al portamagnete 21 che alloggia il magnete permanente 2 polarizzato diametralmente. Il portamagnete 21 ed il relativo magnete non sono in contatto con la custodia o alloggiamento 31 dei mezzi sensibili 3 e ne risultano totalmente esterni ed indipendenti. Il magnete 2 durante la rotazione attorno al proprio asse verticale A genera un?alterazione delle linee di campo magnetico 22 che penetrano la custodia o alloggiamento 31 dei mezzi sensibili 3 (realizzata ad esempio in alluminio, acciaio non magnetico o plastica) concatenandosi con gli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2. Essendo i mezzi sensibili 3 strutturati in configurazione ridondante, sono presenti due schede 41, 42 perfettamente identiche dal punto di vista funzionale e costruttivo. Gli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2 possono essere realizzati in tecnologia Hall, GMR, AMR e TMR. Preferibilmente per il loro basso consumo si preferisce la tecnologia TMR con ponti di Wheatstone ad alta resistenza (a titolo di esempio 1 Mohm o 6 Mohm). Gli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2 convertono il campo magnetico concatenato in un segnale elettrico in tensione sinusoidale del tipo sin? e cos?.
In Figura 4 ? riportato un dettaglio del solo sensore magnetico MS1 che si concatena con linee di campo magnetico 22 con il magnete permanente 2 in rotazione. Il sensore magnetico MS1 preferibilmente comprende quattro resistenze R1-R4 sensibili al campo magnetico configurate a partizione resistiva come riportato nella Figura 4; le serie di resistenze R1-R2 e R3-R4 sono disposte fra la tensione di alimentazione Vcc e la massa GND. La rotazione del magnete 2 impone una ridistribuzione del campo magnetico all?interno della rete resistiva R1-R4 generando una variazione delle resistenze R1, R2, R3 e R4. La variazione delle resistenze R1, R2, R3 e R4 configurate a partizione genera due distinti segnali di tensione che risultano rispettivamente direttamente proporzionale al seno dell?angolo ? (SIN?1) ed al coseno dell?angolo ? (COS?1).
Allo stesso modo il sensore magnetico MS2 preferibilmente comprende quattro resistenze R1-R4 sensibili al campo magnetico configurate a partizione resistiva; le serie di resistenze R1-R2 e R3-R4 sono disposte fra la tensione di alimentazione Vcc e la massa GND. La rotazione del magnete 2 impone una ridistribuzione del campo magnetico all?interno della rete resistiva R1-R4 generando una variazione delle resistenze R1, R2, R3 e R4. La variazione delle resistenze R1, R2, R3 e R4 configurate a partizione genera due distinti segnali di tensione che risultano rispettivamente direttamente proporzionale al seno dell?angolo ? (SIN?2) ed al coseno dell?angolo ? (COS?2).
I segnali sinusoidali SIN?1, COS?1, SIN?2, COS?2 provenienti dagli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2 vengono amplificati per 10 e portati negli ingressi di conversione analogico-digitale di due rispettivi microprocessori Mi e M2, come meglio visibile in figura 6. I microprocessori M1 e M2 sono entrambi provvisti di una memoria in cui ? installato ed in esecuzione un apposito firmware; i microprocessori M1 e M2 sono dotati di medesimo firmware essendo funzionalmente e costruttivamente identici e partendo dai segnali convertiti SIN?1, COS?1, SIN?2 e COS?2 determinano la posizione angolare ?1 e ?2 del magnete in rotazione attraverso la funzione arcotangente. Il valore delle posizioni angolari ?1 e ?2, calcolate indipendentemente nelle due sezioni ridondati, saranno tali da garantire ?1 = ?2 = ?.
Un aspetto importante del trasduttore in accordo alla presente invenzione ? la possibilit? di leggere la posizione angolare ? non solo quando il dispositivo ? alimentato dall?esterno dalla tensione di alimentazione proveniente dagli ingressi Vin1 e Vin2 ma anche quando il dispositivo non ? alimentato esternamente. Questa funzionalit? ? indispensabile in molte applicazioni in cui vi siano movimenti della sezione meccanica con conseguente variazione dell?angolo ? anche in assenza di alimentazione esterna tramite gli ingressi di alimentazione Vin1 e Vin2 (per esempio operazioni di manutenzione nelle sezioni meccaniche, registrazione di giunti o cuscinetti, etc). La lettura della posizione ? anche in assenza di alimentazione elettrica esterna avviene mediante l?utilizzo di batterie di back-up B1 e B2 che vanno ad alimentare il circuito di misura. Le batterie entrano in azione se e solo se gli ingressi Vin1 eVin2 non sono attivi. ? presente in entrambe le schede 41, 42 una porta OR 51 hardware che commuta su batteria B1, B2 o su alimentazione esterna Vin1, Vin2 a seconda di quali fonti sono disponibili per l?alimentazione elettrica dei mezzi sensibili MS1, MS2 e degli elementi delle schede 41, 42. ? presente anche una seconda porta OR 61 hardware che svolge la funzione di wake-up generando un segnale di sveglia dei microprocessori M1 e M2 dalla condizione di sleep profondo ottimizzando i consumi di energia e permettendo di estendere in modo significativo la durata delle batterie; la porta OR 61 presente in entrambe le schede 41, 42 ha in ingresso i segnali in uscita dai mezzi sensibili MS1, MS2 ed ? atta ad inviare un segnale WAKE-UP ai microprocessori M1 e M2.
Nel caso in cui l?alimentazione elettrica esterna del trasduttore 1 attraverso gli ingressi Vin1 e Vin2 ? assente poich? la macchina a cui il trasduttore ? collegato ? spenta, le batterie tampone B1 e B2 entrano in funzione ed alimentano i sensori magnetici MS1 e MS2, i microprocessori M1 e M2 e le sezioni di amplificazione x10. Il trasduttore ? quindi attivo e pronto per eseguire una misura dell?angolo ? anche in assenza di alimentazione. I microprocessori M1 e M2, in assenza di alimentazione elettrica esterna, poich? programmati per ridurre i consumi energetici al minimo, si mettono automaticamente in una configurazione di SLEEP portandosi a consumare solo una minima corrente, di ad esempio 1 uA. La funzione SLEEP disabilita la quasi totalit? delle funzionalit? dei microprocessori M1 e M2. Un sistema in uno di questi stati non esegue alcuna attivit? di calcolo e sembra non funzionare. Tuttavia, un sistema di sospensione mantiene lo stato della memoria. Non ? necessario riavviare il sistema operativo per riportare il computer allo stato operativo ma basta un evento di WAKE-UP per riportarlo nelle condizioni di funzionalit? in pochi microsecondi.
Se dall?esterno la meccanica impone un movimento del magnete permanente 2 che ruota di un angolo ? (cio? viene richiesto al trasduttore di riaggiornare la posizione) la porta OR 61 di wake-up risveglia dallo SLEEP i microcontrollori M1 e M2 che istantaneamente leggono i segnali SIN?1, COS?1, SIN?2 e COS?2 riaggiornando la posizione angolare ?. Effettuata la misura si riportano in SLEEP pronti per essere svegliati al successivo evento di WAKE-UP.
Il trasduttore in accordo alla presente invenzione ? configurato per effettuare una misura di posizione angolare solo se il magnete 2 si trova sempre ad una distanza corretta dagli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2, cio? la distanza D fra il magnete 2 e gli elementi sensibili MS1 e MS2 sia inferiore ad una data distanza Dc. Per effettuare questo controllo gli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2 vengono utilizzati non solo per l?ottenimento dei segnali SIN?1, COS?1, SIN?2 e COS?2 ma viene usata la loro ampiezza per stabilire la distanza D relativa tra il magnete e gli elementi sensibili stessi. La data distanza Dc corrisponde ad un?ampiezza picco-picco di 2V dei segnali sinusoidali emessi dai mezzi sensibili MS1, MS2. Il controllo viene effettuato dai microporcessori M1, M2 tramite l?opportuno firmware.
Ad esempio se il magnete 2 si trova ad una distanza D=3 mm dagli elementi sensibili magnetici MS1, MS2 nel caso di rotazione di 360? del magnete attorno al suo asse di rotazione A, gli elementi sensibili magnetici leggono i segnali SIN?1, COS?1, SIN?2 e COS?2 con andamento sinusoidale ma con ampiezza picco-picco dei segnali sinusoidali di 4 V. Il valore 4V ? calcolato dai microprocessori M1 e M2 ed essendo ? 2 V (il valore 2 V viene determinato in fase di calibrazione del trasduttore in fabbrica) ? considerato corretto e la misura di posizione angolare ? inviata in uscita.
Se invece il magnete 2 si trova ad una distanza D=8 mm dagli elementi sensibili magnetici MS1 e MS2, detta distanza di 8 mm ? considerata non accettabile. In questa condizione, nel caso di rotazione di 360? del magnete attorno al suo asse A, gli elementi sensibili magnetici leggono i segnali SIN?1, COS?1, SIN?2 e COS?2 con andamento sinusoidale ma con ampiezza picco-picco dei segnali sinusoidali di 1 V. Il valore 1V ? calcolato dai microprocessori ed essendo < 2 V ? considerato non corretto e la misura di posizione angolare non viene inviata in uscita ma viene inviato un segnale di allarme.
Claims (8)
1. Trasduttore di posizione angolare comprendente:
- un magnete (2),
- mezzi sensibili (3, MS1, MS2) non in contatto con detto magnete e magneticamente accoppiati con detto magnete,
- mezzi (41, 42) collegati elettricamente a detti mezzi sensibili e configurati per fornire in uscita (Output1, Output2) detta posizione angolare (?),
caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensibili sono disposti in un primo alloggiamento (31) e detto magnete ? disposto in un secondo alloggiamento (21) separato da detto primo alloggiamento, detto magnete ? configurato per ruotare ed ? fissabile ad un elemento del quale si vuole rilevare la posizione angolare, detti mezzi essendo atti a misurare l?angolo di rotazione (?) di detto magnete ed essendo configurati per fornire in uscita (Output1, Output2) detta posizione angolare in risposta a detta misura.
2. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensibili (3) comprendono due sensori di campo magnetico (MS1, MS2) per ottenere una misura ridondante della posizione angolare dell?elemento.
3. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere un trasduttore di posizione angolare multigiro.
4. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una batteria (B1, B2) per alimentare elettricamente detti mezzi (4, 41, 42) e detti mezzi sensibili (3, MS1, MS2) in assenza di alimentazione esterna.
5. Trasduttore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (4, 41, 42) comprendono almeno un microprocessore (M1, M2) configurato per disporsi in una configurazione inattiva (SLEEP) in assenza di alimentazione elettrica esterna (Vin1, Vin2), detto almeno un microprocessore (M1, M2) essendo configurato per risvegliarsi (WAKE-UP) da detta condizione inattiva in caso di rotazione di detto magnete permanente per aggiornare la posizione di detto magnete permanente usufruendo dell?alimentazione elettrica di detta almeno una batteria.
6. Trasduttore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sono configurati per emettere una misura di posizione angolare se detto magnete si trova ad una distanza (D) inferiore ad una data distanza (Dc) da detti mezzi sensibili.
7. Trasduttore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensibili (MS1, MS2) sono atti ad emettere segnali sinusoidali (SIN?1, COS?1, SIN?2, COS?2) dell?angolo di rotazione del magnete permanente, detta distanza (D) essendo proporzionale all?ampiezza picco-picco dei segnali sinusoidali emessi da detti mezzi sensibili (MS1, MS2).
8. Trasduttore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta data distanza (Dc) corrisponde ad un?ampiezza picco-picco di 2V dei segnali sinusoidali rilevati da detti mezzi sensibili (MS1, MS2).
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| IT102021000030626A IT202100030626A1 (it) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | Trasduttore di posizione angolare senza contatto. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | IT202100030626A1 (it) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7466125B2 (en) * | 2004-07-12 | 2008-12-16 | Feig Electronic Gmbh | Position transmitter and method for determining a position of a rotating shaft |
| EP2261680B1 (en) * | 2002-02-05 | 2018-10-17 | Allegro MicroSystems, LLC | Peak-to-peak signal detector |
| US10328972B2 (en) * | 2016-04-06 | 2019-06-25 | Denso Corporation | Rotation detecting apparatus and electric power steering apparatus using the same |
| WO2021007001A1 (en) * | 2019-07-10 | 2021-01-14 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor with reduced influence of external stray magnetic fields |
-
2021
- 2021-12-03 IT IT102021000030626A patent/IT202100030626A1/it unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2261680B1 (en) * | 2002-02-05 | 2018-10-17 | Allegro MicroSystems, LLC | Peak-to-peak signal detector |
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