Renesas’ nye værktøj til design af spoler sætter en ny standard inden for induktiv positionsføling, og det kan på kort sigt blive en revolution inden for præcision i blandt andet robotter
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 4 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Ruggero Leoncavallo, director of Inductive Position Sensors, Renesas
Landskabet inden for teknologier til positionsføling ændrer sig konstant, og de induktive følere har vist sig at være robuste, præcise og prisoptimale alternativer til traditionelle magnetiske og optiske metoder. Modsat magnetiske sensorer, som anvender permanentmagneter eller optiske encodere, som kræver ultrarene miljøer og en præcis oplining, så fungerer de induktive sensorer ud fra princippet om elektromagnetisk kobling mellem spoler og metalliske targets. En sådan permanentmagnetfri tilgang giver immunitet over for vagabonderende felter, en høj tolerance over for forkert indbyrdes placering mellem emnerne og hårdførhed i barske miljøer, hvilket gør løsningen ideel til såvel automotive som industrielle applikationer.
Renesas Electronics, der er en globalt førende virksomhed inden for halvlederløsninger, har været i front af dette teknologiskift. Virksomhedens nyeste innovation – Renesas Position Sensor Coil Optimizer – ændrer hele billedet for ingeniører, der vil designe, simulere og optimere induktive sensorelementer, nu med en hidtil uset præcision og lethed.
Sådan virker induktiv positionsføling
Induktiv positionsføling genererer alternerende magnetfelter gennem transmitterspoler med detektering af de inducerede spændinger i receiver-spoler, mens det ledende target flytter sig i forhold til felterne. Mønstret i de inducerede signaler svarer til positionen af target. I højpræcise applikationer – især hvor et absolut positions-feedback og en høj opløsning er påkrævet – vil et dobbelt receiver-spolesystem være vitalt. Denne konfiguration gør teknikker som Vernier-interpolation mulig, hvor to receiver-spoler med meget små forskelle i de indbyrdes geometrier producerer overlappende signaler, som matematisk kan kombineres til ultrafine vinklede eller lineære opløsninger. Dobbeltspole-setuppet forbedrer ikke alene præcisionen, men gør også en absolut positionsdetektering mulig, uden behov for fixpunkter eller lignende rutiner.
Derfor er induktiv teknologi bedre end de magnetiske og optiske alternativer
Induktive positionssensorer giver flere tiltrækkende fordele som:
● Immunitet over for vagabonderende felter, hvor de induktive sensorer – modsat magnetiske typer – er immune over for ekstern magnetisk støj, så man opnår en stabil ydelse selv i elektromagnetisk støjende miljøer.
● Ingen krav om ultrapræcis montage. Optiske sensorer kræver som regel en indbyrdes meget nøjagtig oplining og ultrarene omgivelser, men de induktive sensorer tåler mekanisk misjustering og forurening, hvilket mindsker kompleksiteten under produktion.
● Prisoptimal løsning. De induktive sensorer eliminerer behovet for dyre magneter og optiske komponenter, så BOM’en (Bill-of-Materials) holdes lav trods teknikkens høje ydelse.
● Holdbarhed. Da der ikke er nogen bevægelige dele i det robuste printbaserede spoledesign, er de induktive sensorer fremragende i miljøer med vibrationer, støv, fugt og ekstreme temperaturforhold.
Disse kvaliteter gør den induktive teknologi særdeles attraktiv i applikationer, hvor pålidelighed, præcision og pris er kritiske faktorer. Renesas’ induktive positionsfølere bruges allerede i en lang række applikationer som i automotive steering-by-wire systemer til motorkommutering og resolver-erstatninger, hvor de induktive sensorer giver high-speed og højpræcise feedbacks med ISO26262-compliance for funktionel sikkerhed. Inden for industrielle miljøer som i robotter, automation og i fabriksudstyr giver de induktive sensorer præcise lineære- og vinkelmålinger, som sikrer closed-loop kontrol og forebyggende vedligehold. Hvor de automotive applikationer har fordel af robustheden og sikkerheden, er det inden for industrimiljøer især i robotterne og i præcisionsmaskiner, at teknologien virkelig beviser sit værd.
Industriel præcision opfylder krav om nøjagtighed og opløsning
Industrielle applikationer kræver ofte ultrapræcise målinger især i forhold til robotter, CNC-maskiner og i halvlederudstyr. Renesas’ nyeste induktive IC, RAA2P3226, er designet til at møde disse kritiske forhold. Denne induktive dobbeltspolesensor supporterer konfigurationer som den nævnte Vernier-tilstand (også kaldet skydelæremetoden), der kombinerer to spolesystemer med marginalt forskellige antal polpar (N og N-1). Det muliggør både absolut positionsføling, hvor Vernier-princippet gør sensoren i stand til at afgøre placeringen over multiple perioder, hvilket eliminerer behovet for fixpunkter eller nulstilling. Den høje opløsning og præcision i RAA2P3226 leverer en op til 19-bits opløsning og en 15-bit præcision, hvad der især er afgørende i applikationer, som kræver præcision langt under 1°.
Dobbeltspolefunktionen er især en kvalitet i industrielle robotter, hvor vinkelmålinger med en præcision ned til under 0,01° nu er mulig.
Sensorelementet er den kritiske komponent i det induktive design
I hjertet af enhver induktiv positionssensor er selve sensorelementet – et sæt af transmitter- og receiverspoler ætset ned i et print. Geometri, afstande og layout af disse spoler påvirker direkte sensorens ydelse. Design af sensorelementerne er komplekse opgaver, og designere skal overveje:
● Spolegeometri: Form og størrelse af spolerne påvirker induktans, signalstyrke og opløsning.
● Mekaniske forhold: Sensoren skal bevare sin præcision i hele det ønskede bevægelsesområde.
● Optimering af ydelsen: Faktorer som luftgab, materialeegenskaber og omgivelsesmiljøer skal tages i betragtning.
Hidtil har denne proces krævet omfattende simulering, manual fintuning og iterativ prototypeudvikling.
Renesas’ Coil Design Tool: Fremragende automatisering
Renesas’ nye Inductive Coil Design Tool (ICDT) vender op og ned på tidligere processer. Med en fleksibel, template-baseret arkitektur gør det nye værktøj brugerne i stand til at:
● Designe med valg fra roterende, bueformede eller lineære bevægelses-templates med konfiguration af enkelt-, dobbelt- eller redundants spole-setups.
● Simulere med run af real-time simuleringer med 3D-visualisering, estimater af induktansen som forudsigelige signalspændinger med brug af machine learning-modeller.
● Optimere med automatisk generering af ydelsesoptimerede spole-layouts, inklusive Gerber-filer til printfremstilling.
Værktøjet supporterer konfigurationer som enkelt-, dobbelt- eller redundans-spole, der går fra det enkle og prisbillige til enkle sensoropgaver over højopløste og absolutte sensor-setups til galvanisk isolerede systemer til sikkerhedskritiske applikationer.
Hver bruger får adgang til et dedikeret workspace via MyRenesas, hvor brugerne kan tracke simuleringer, gennemgå resultater og sømløst downloade filer.
Nyt benchmark for robotter
Inden for robotter er præcision afgørende. Uanset om det er feedback for et enkelt led i en robot, motorkommutering eller endestop, vil selv små tolerancer kunne føre til en reduktion af ydelsen eller sikkerhedsrisici. Med Renesas’ induktive dobbeltspolesensorer og ICDT kan designere nu opnå:
● Ultrapræcis vinkelmåling med en præcision ned til 0,01° med følgende meget finkornet styring af robotarme og autonome systemer.
● Kompakt integration da de printbaserede spoler tillader slanke, integrerede designs, der passer i trange mekaniske omgivelser.
● Robust drift med immunitet over for støv, fugt og vibrationer, så man får en pålidelig ydelse i industrielle miljøer.
Det er en kombination, der sætter en ny standard inden for induktiv positionsføling, så robotdesignere kan flytte grænserne for automation.
Teknik flytter grænserne for induktiv positionsføling
Renesas’ nye designværktøj til sensorspoler er en milepæl inden for udviklingen af induktive positionssensorer. Med automatisering af design, simulering samt optimering af sensorelementerne fjernes barriererne for implementering af de nye sensorløsninger med en acceleration af innovative løsninger til følge.
Uanset om man designer et led til en robot, en industriel aktuator eller et sikkerhedskritisk, automotivt system, så tilbyder Renesas den præcision, fleksibilitet og pålidelighed, som succes for applikationen kræver, så Renesas’ nye designværktøj vil komme til at spille en nøglerolle i udformning af fremtiden for mekaniske sensorteknologier.
Billedtekster:
1: Dobbeltspole sensorelement.
2: Robotter udgør den næste revolution inden for induktive sensorapplikationer.
3: Screendump af Renesas’ Inductive Position Sensor Coil Optimizer.
