Sélectionner et appliquer un capteur de position linéaire pour les commandes de véhicules lourds

Avec l'Internet des objets (IoT) pour l'automatisation des usines et l'utilisation croissante de l'électronique dans les véhicules, les concepteurs doivent soigneusement évaluer leurs options de capteurs. Les véhicules tels que les tracteurs et les chariots élévateurs présentent des défis de conception uniques en matière de capteurs linéaires pour les commandes. Ces commandes doivent être précises, réactives, fiables, durables, et capables de résister aux températures extrêmes, aux chocs, aux vibrations, à la poussière et à l'humidité pendant de nombreuses années avec une maintenance minimale.

Une option qui répond aux exigences de ces applications est le capteur à effet Hall linéaire. En option sans contact, ces capteurs peuvent être renforcés pour résister à des conditions de fonctionnement difficiles.

Cet article traite des exigences de détection des véhicules et des raisons pour lesquelles les capteurs à effet Hall linéaires constituent une bonne option. Il présente ensuite des capteurs à effet Hall linéaires de Vishay pour illustrer leurs caractéristiques et montrer comment les sélectionner et les appliquer avec succès.

Pourquoi les véhicules lourds ont besoin de commandes spécialisées de haute précision

Les véhicules lourds fonctionnent souvent dans des environnements dangereux où un fonctionnement précis est requis. Ainsi, les commandes de ces véhicules doivent être hautement précises et réactives. De plus, ces commandes opérateur doivent souvent interfacer avec plusieurs capteurs IoT et systèmes de contrôle automatisés embarqués. Les exemples d'applications incluent notamment :

• Timons de chariots élévateurs : la détection précise de l'angle de timon (c'est-à-dire la poignée de commande principale) permet des manœuvres sûres et efficaces, ce qui est particulièrement important dans les espaces restreints.
• Changements de vitesse des tracteurs : les changements de vitesse en douceur minimisent l'usure de la transmission et améliorent l'efficacité en carburant.
• Systèmes de déplacement des pédales : des mesures précises permettent un contrôle optimal du véhicule et améliorent les fonctions de sécurité telles que la réduction automatique de la vitesse et l'arrêt d'urgence.

La fiabilité est une autre exigence de conception. Dans les environnements tels que les entrepôts et les installations de fabrication, les commandes peuvent être exposées à des contaminants, des températures extrêmes et des mauvais traitements.

Enfin, les véhicules lourds sont souvent soumis à des contraintes d'espace, de par leur conception. Par exemple, les chariots élévateurs sont très compacts pour optimiser la manœuvrabilité dans les allées des entrepôts. Ainsi, les capteurs destinés aux commandes de véhicules lourds doivent généralement être aussi petits que possible.

Pourquoi les capteurs à effet Hall linéaires sont particulièrement adaptés aux commandes de véhicules lourds

Choisir un capteur adapté aux commandes de véhicules lourds peut s'avérer difficile en raison du besoin de durabilité, des longues distances de course et de la taille réduite. Les capteurs à effet Hall linéaires constituent une bonne option car il s'agit d'une technologie sans contact qui peut fonctionner sur des millions de cycles sans ajustements. De plus, ils sont disponibles dans des boîtiers compacts faciles à monter et offrent une excellente précision pour la détection de position à courte portée.

Il est utile de s'intéresser d'abord à l'effet Hall pour comprendre ces avantages. Un capteur à effet Hall applique un courant de polarisation CC fixe le long d'un axe et à travers une fine bande de métal ou de semi-conducteur appelée élément Hall. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement au flux de courant, les porteurs de charge sont déviés par la force de Lorentz et s'accumulent sur les côtés opposés de l'élément Hall, créant un champ électrique transverse appelé champ de Hall et un potentiel aux bornes de l'élément appelé tension de Hall. La tension de Hall est proportionnelle au produit du courant, du champ magnétique et d'une constante dépendante du matériau, ou coefficient de Hall.

Dans un capteur linéaire, l'effet Hall peut créer une tension de sortie proportionnelle à la distance entre l'élément Hall et un aimant. Il en résulte une détection de position très précise sur de courtes distances avec des temps de réponse rapides.

Un capteur à effet Hall linéaire conçu pour les commandes de véhicules lourds

Les capteurs de position série 20LHE de Vishay (Figure 1) illustrent les avantages des capteurs à effet Hall linéaires. Ils ont une course courte de 10 millimètres (mm) et une vitesse de suivi de 60 mm par seconde (mm/s). Ils sont bien adaptés aux commandes de véhicules de haute précision en raison de leur linéarité, qui peut être spécifiée à seulement ±1 %.

Figure 1 : Les capteurs de position à effet Hall linéaires série 20LHE présentent une linéarité de ±1 %. (Source de l'image : Vishay)

Les capteurs série 20LHE sont conçus pour fonctionner en environnements difficiles et ont une durée de vie sans maintenance de plus de 10 millions de cycles. Les capteurs fournissent des mesures précises lorsque l'alimentation est appliquée sans étalonnage ni initialisation. De plus, ces capteurs offrent une excellente stabilité sans dérive de linéarité. L'hystérésis statique est limitée à 0,1 % de la tension d'alimentation, tandis que l'hystérésis dynamique n'est que de 0,25 %.

Les capteurs sont montés par bride pour une installation aisée, comme illustré à la Figure 2, et l'arbre peut dépasser de 30 mm de la face de montage pour faciliter la connexion avec le mécanisme de commande. Dans le même temps, les dimensions globales d'un capteur série 20LHE ne sont que de 46 mm x 20,8 mm x 37 mm, ce qui permet au dispositif de s'adapter aux cabines exiguës des véhicules.

Figure 2 : Les capteurs série 20LHE sont compacts et utilisent une conception à montage par bride pour une installation aisée. (Source de l'image : Vishay)

Considérations mécaniques pour les capteurs à effet Hall linéaires

Les commandes des véhicules lourds doivent offrir une grande fiabilité dans les environnements non contrôlés. Il est donc crucial de considérer la capacité d'un capteur de commande de véhicule à résister à un traitement brutal. Un impact physique est probable dans des conditions difficiles, tout comme les vibrations provenant de sources telles que le moteur et la suspension du véhicule. Les capteurs série 20LHE offrent une conception physique robuste capable de résister à des vibrations jusqu'à 20 g et des chocs jusqu'à 50 g.

Les capteurs série 20LHE sont logés dans un boîtier thermoplastique durable résistant à la poussière, aux liquides et aux températures extrêmes de -40°C à +85°C. Les modèles avec rappel par ressort affichent un indice de protection (IP) environnementale IP51. Des indices IP plus élevés sont également disponibles.

Un indice IP indique le niveau de protection qu'offre un boîtier contre la pénétration d'objets solides (premier chiffre) et de liquides (deuxième chiffre). Dans le cas d'IP51, le 5 indique que le boîtier est protégé contre la pénétration de poussière dans une quantité suffisante pour affecter le fonctionnement normal du dispositif, tandis que le 1 indique que le boîtier est protégé contre les gouttes d'eau verticales.

Considérations électriques pour l'utilisation de capteurs à effet Hall linéaires

Les environnements difficiles présentent également des risques électromagnétiques, notamment des décharges électrostatiques et des interactions accidentelles entre divers systèmes électriques et électroniques. La série 20LHE peut résister à un grand nombre de ces dangers. Ils peuvent notamment résister à une surtension de +20 volts (V) et à une tension inverse de -10 V. D'autres spécifications environnementales sont répertoriées dans le Tableau 1.

Tableau 1 : La série 20LHE est conçue pour résister aux dangers physiques et électromagnétiques. (Source de l'image : Vishay)

Un capteur à effet Hall linéaire doit être associé à une résistance de charge pour fonctionner correctement. Pour la série 20LHE, Vishay recommande une charge minimale de 1 kilohm (kΩ).

Sélection d'un capteur à effet Hall linéaire

La précision est le premier paramètre à prendre en compte, car le capteur doit permettre la précision de contrôle requise. Dans le cas de la série 20LHE, Vishay propose un choix de linéarité de ±2 % avec le 20LHE1XWA1P30 ou de ±1 % avec le 20LHE1AWA1P30.

La sortie doit également correspondre aux besoins du reste du système de commande. Les options typiques incluent la modulation ratiométrique analogique ou la modulation de largeur d'impulsion (PWM). La série 20LHE est disponible dans les deux configurations, avec une sortie augmentant ou diminuant selon la position du capteur. Par exemple, le 20LHE1AWB1P30 a une sortie analogique décroissante, ce qui signifie que la sortie est à son niveau le plus bas lorsque l'arbre du capteur est complètement comprimé (Figure 3).

Figure 3 : Le 20LHE1AWB1P30 est disponible avec une sortie analogique décroissante, qui atteint son minimum lorsque l'arbre du capteur est complètement comprimé. (Source de l'image : Vishay)

L'arbre lui-même mérite d'être pris en considération. Par exemple, la série 20LHE dispose d'un arbre de 3,175 mm qui peut être fileté en option avec un filetage M3 x 6 mm. Une telle configuration peut simplifier l'installation et fournir une connexion plus sécurisée au mécanisme de commande.

La plupart des modèles de la série 20LHE sont équipés d'un rappel par ressort. Ce ressort fournit un mécanisme d'auto-centrage, garantissant que le capteur revient à sa position d'origine lorsque la force qui l'a déplacé est supprimée. Cette fonctionnalité peut bénéficier aux applications de commande de véhicules telles que les capteurs de position du papillon des gaz, où les opérateurs appliquent et relâchent fréquemment des forces d'entrée. Des modèles sans ressort, comme le 20LHE2AWA1P30, sont également disponibles.

Conclusion

En tant qu'option sans contact, les capteurs à effet Hall linéaires conviennent parfaitement aux commandes de véhicules lourds. La série 20LHE offre un facteur de forme compact avec un montage par bride pour une installation aisée. Les dispositifs sont suffisamment durables pour résister à des conditions de fonctionnement difficiles et ils offrent une précision stable, sans maintenance face aux dangers physiques et électromagnétiques.