I sensori di posizione magnetici, in particolare i sensori magnetici angolari, sono elementi fondamentali di innumerevoli applicazioni di controllo del movimento che richiedono un posizionamento di precisione. Questi sensori sono imprescindibili e di sicuro interesse in molti settori, dall’automotive alla robotica, dall’elettronica di consumo ai dispositivi medici.
Tuttavia, per ottenere appieno le loro prestazioni potenziali è necessario approfondire due parametri cruciali che ne governano le prestazioni: precisione e risoluzione. Sebbene questi termini siano spesso usati in modo intercambiabile, rappresentano concetti distinti, anche se correlati, in qualsiasi sistema di misura. Questo articolo mira a far luce su questi parametri, spiegare come influiscono sulle prestazioni dei sensori di posizione magnetici e fornire indicazioni sulla loro ottimizzazione.
Comprendere precisione e risoluzione
Nel contesto della misura e della strumentazione, la precisione si riferisce alla vicinanza del valore misurato al valore effettivo o reale della grandezza da misurare. Per i sensori di posizione magnetici, la precisione è la misura dell‘accuratezza con cui il sensore riporta l’angolo effettivo. La precisione è un modo per comprendere quanto la posizione letta dal sensore corrisponde alla posizione effettiva: un sensore ad alta precisione produce letture molto vicine alla posizione reale.
La risoluzione invece indica il più piccolo cambiamento nella quantità misurata che un sensore può rilevare. Per i sensori di posizione magnetici, la risoluzione è la variazione angolare minima che il sensore può accertare. La risoluzione è essenzialmente una misura della sensibilità del sensore ai minimi cambiamenti nella posizione. Un sensore ad alta risoluzione è in grado di rilevare cambiamenti molto piccoli della posizione.
Un concetto fondamentale è che un’elevata risoluzione non implica di per sé un’elevata precisione. Un sensore potrebbe essere molto sensibile ai cambiamenti più piccoli, il che significa che ha un’alta risoluzione, ma potrebbe comunque essere impreciso se le sue misurazioni si discostano dal valore reale. Al contrario, un sensore può essere estremamente preciso e fornire sempre misurazioni vicine alla posizione reale, ma potrebbe avere una bassa risoluzione, il che significa che non è in grado di rilevare piccoli cambiamenti nella posizione.
Questo paradosso è alla base della complessità della progettazione e dell’implementazione dei sensori di posizione magnetici. Nella loro progettazione si deve trovare un equilibrio tra risoluzione e precisione per ottenere prestazioni ottimali a seconda delle esigenze specifiche dell’applicazione in esame.
I compromessi nell’ottimizzazione delle prestazioni del sensore
Per massimizzare le prestazioni di un sistema di sensori di posizione magnetici è fondamentale per i progettisti come viene quantificata l’accuratezza e la risoluzione. Ancora più importante, è necessario comprendere quali parametri di sistema possono essere modificati per migliorare la precisione o la risoluzione e capire come i costruttori rappresentano questi parametri nelle schede tecniche.
Sfortunatamente, ogni miglioramento o potenziamento ha un costo e questo vale anche per l’aumento della risoluzione e della precisione. Trovare il giusto equilibrio tra questi due parametri richiede l’attenta considerazione di vari compromessi.
Per migliorare la risoluzione è importante ridurre al minimo il rumore. È possibile utilizzare un filtro che media i valori in una finestra per ridurre il rumore migliorando così la risoluzione. Questo filtro attenua le fluttuazioni casuali nelle letture del sensore contribuendo a fornire risultati più coerenti e accurati.
Tuttavia se il filtro aumenta la risoluzione allo stesso tempo riduce la larghezza di banda, il che significa che la reazione del sistema alle accelerazioni saranno ritardate proporzionalmente alla riduzione della larghezza di banda. Se la finestra del filtro è molto ampia questo può portare a una scarsa risposta al gradino e all’instabilità del circuito del servo-controllo, con un impatto negativo sulle prestazioni del sistema. Una regola pratica per i sensori angolari magnetici basati sull’effetto Hall è che ottenere mezzo bit in più di risoluzione comporta dimezzare la larghezza di banda.
L’aumento della precisione (o la riduzione della non-linearità integrale (INL)) può essere ottenuta anche attraverso la calibrazione. La calibrazione dell’uscita del sensore dopo l’installazione nell’applicazione può essere di aiuto per contrastare l’effetto dell’accumulo delle tolleranze meccaniche e delle imperfezioni del magnete, in modo che il principale contributo all’INL sia solo la deriva termica. In questo caso il compromesso è sul costo. Infatti la calibrazione richiede tempo, risorse e conoscenze specialistiche, il che si traduce in maggiori costi di produzione. Per questo motivo, la calibrazione potrebbe non essere un’opzione fattibile per tutte le applicazioni, in particolare per quelle in cui è importante il contenimento dei costi.
Nelle situazioni in cui sono richieste alta risoluzione ed elevata larghezza di banda o dove è richiesta una INL estremamente bassa (per esempio inferiore a 0,1°), soluzioni specifiche come MA600 possono offrire un eccellente equilibrio tra prestazioni e costi (vedi fig. 2). MA600 fornisce una larghezza di banda e una risoluzione più elevate rispetto alle soluzioni basate su sensori Hall ed è significativamente meno costoso della migliore alternativa, un encoder ottico. Poiché MA600 è basato sul tunneling magnetoresistivo (TMR), il suo rumore è significativamente inferiore rispetto a una soluzione basata sull’effetto Hall e il profilo di rumore dell’MA600 non è gaussiano, a differenza dei tradizionali sensori Hall. Questi fattori migliorano notevolmente il compromesso sulla larghezza di banda nei sensori TMR.
Quantificazione della precisione e della risoluzione
Le schede tecniche del costruttore forniscono informazioni dettagliate non solo sulle specifiche di precisione e risoluzione del sensore, ma anche su altri parametri critici, come l’intervallo di temperatura operativa, la tensione di alimentazione, la corrente a riposo e il range di intensità del campo magnetico. Tuttavia, non tutte le schede tecniche sono uguali e bisogna fare attenzione quando si confrontano le specifiche.
Ad esempio, alcuni produttori specificano la risoluzione basandola su un range del rumore di 1σ, il che significa che la variazione angolare minima può essere rilevata solo nel 68% dei casi. MPS invece specifica la risoluzione con un livello di rumore di ±3σ (vedi fig. 3). Ciò garantisce che la risoluzione della differenza tra due angoli sarà corretta nel 99,7% dei casi. Non tutti i costruttori sono così conservativi ed è facile far sembrare la risoluzione più alta omettendo la condizione di 3σ.
La precisione (o INL) è relativamente chiara e c’è poco margine per mascherare le effettive prestazioni del sensore. Una cosa da considerare è l’intervallo di temperature entro il quale sono date le specifiche. Come accennato in precedenza, la calibrazione può ridurre l’INL creato dalle tolleranze meccaniche o magnetiche, ma la deriva in temperatura è molto più difficile da calibrare.
Conclusione
Per scegliere il sensore di posizione magnetico più adatto a una determinata applicazione si devono analizzare e comprendere gli intricati compromessi tra precisione, risoluzione e altri parametri di sistema. Va inoltre considerato come questi parametri possono essere ottimizzati per offrire le migliori prestazioni possibili.
Comprendendo i concetti chiave di precisione e risoluzione e il modo in cui si applicano ai sensori di posizione magnetici come MA600, i progettisti possono prendere decisioni più consapevoli e scegliere i sensori più adatti ai loro sistemi. Questa conoscenza aiuta a ottimizzare le prestazioni, a tenere sotto controllo i costi e a garantire la corretta esecuzione dei propri progetti.
In un mondo in cui la tecnologia è in continua evoluzione e precisione ed accuratezza sono di fondamentale importanza, è molto importante padroneggiare i dettagli tecnici dei sensori di posizione magnetici. Grazie a queste conoscenze, i progettisti sono in grado di affrontare meglio le complessità del mondo digitale e utilizzare tutto il potenziale dei sensori di posizione magnetici in ogni applicazione.
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