중장비 차량 제어를 위한 선형 위치 센서의 선택 및 적용

공장 자동화를 위한 사물 인터넷(IoT)과 차량 내 전자 장치 사용이 증가하고 있어, 설계자는 센서 옵션을 신중하게 고려해야 합니다. 트랙터와 지게차와 같은 차량은 제어용 선형 센서와 관련된 고유한 설계 과제를 지닙니다. 이러한 제어는 최소한의 유지 보수로 수년간 극한의 온도, 충격, 진동, 먼지, 습기에도 견딜 수 있도록 정확성, 반응성, 신뢰성, 내구성을 갖추어야 합니다.

이러한 응용 제품의 요구 사항을 충족하는 옵션 중 하나는 선형 홀 효과 센서입니다. 비접촉식 옵션인 이 센서는 열악한 작업 환경에서도 견딜 수 있도록 견고하게 제작되었습니다.

이 문서에서는 차량에서의 감지 요구 사항 및 선형 홀 효과 센서가 좋은 옵션인 이유에 대해 설명합니다. 그런 다음 Vishay의 선형 홀 효과 센서를 소개하여 그 특성과 올바른 선택 및 적용 방법을 설명합니다.

중장비 차량에 특수 고정밀 제어가 필요한 이유

중장비 차량은 위험한 환경에서 운행되는 경우가 많으므로 정밀한 조작이 필수입니다. 따라서 이러한 차량의 제어는 매우 정확하고 반응성이 뛰어나야 합니다. 또한 이러한 운전자 제어는 여러 온보드 IoT 센서 및 자동화된 제어 시스템과 상호 작용해야 하는 경우가 많습니다. 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 지게차 틸러: 틸러 각도(즉, 주 제어 핸들)를 정확하게 감지하면 안전하고 효율적인 조작이 가능하며, 이는 좁은 공간에서 특히 중요합니다.
• 트랙터 기어 변속: 부드러운 기어 변속으로 변속기의 마모와 손상을 최소화하고 연비를 개선합니다.
• 페달 변위 시스템: 정밀한 측정으로 차량을 최적으로 제어하고 자동 속도 감소 및 비상 정지 등의 안전 기능을 강화합니다.

또 다른 설계 요구 사항은 신뢰성입니다. 창고 및 제조 시설과 같은 환경에서는 제어 장치가 오염 물질, 극심한 온도 및 물리적 남용에 노출될 수 있습니다.

마지막으로, 중장비 차량은 설계상 공간의 제약이 있는 경우가 많습니다. 예를 들어, 지게차는 창고 통로에서의 기동성을 최적화하기 위해서 매우 작습니다. 따라서, 중장비 차량 제어용 센서는 통상적으로 가능한 한 작아야 합니다.

선형 홀 효과 센서가 견고한 차량 제어에 유독 적합한 이유

중장비 차량 제어에 적합한 센서는 내구성, 긴 스트로크 거리, 작은 크기를 요구하므로, 이를 선택하는 것은 까다로운 문제일 수 있습니다. 선형 홀 효과 센서가 좋은 옵션인 이유는 조정 없이 수백만 사이클을 제공할 수 있는 비접촉식 기술이기 때문입니다. 또한 장착이 쉬운 초소형 패키지로 제공되며, 단거리 위치 감지를 위한 뛰어난 정밀도를 제공합니다.

이러한 이점을 이해하려면 먼저 홀 효과를 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 홀 효과 센서는 홀 소자라고 하는 얇은 금속 또는 반도체 스트립에 한 축을 따라 고정된 DC 바이어스 전류를 적용합니다. 전류 흐름에 수직으로 자기장을 가하면 전하 운반체는 로렌츠 힘에 의해 굴절되어 홀 소자의 반대편에 축적되어, 홀 장이라고 하는 횡방향 전기장과 홀 전압이라고 하는 소자 전체에서의 전위를 생성합니다. 홀 전압은 전류, 자기장, 그리고 홀 계수라고 하는 재료에 따른 상수의 곱에 비례합니다.

선형 센서에서, 홀 효과는 홀 소자와 자석 사이의 거리에 비례하는 출력 전압을 생성할 수 있습니다. 따라서 빠른 응답 시간으로 짧은 거리에서도 매우 정확한 위치 감지가 가능합니다.

중장비 차량 제어를 위해 설계된 선형 홀 효과 센서

Vishay의 20LHE 계열 위치 센서(그림 1)는 선형 홀 효과 센서의 장점을 잘 보여줍니다. 10mm의 짧은 스트로크와 60mm/s의 추적 속도를 제공합니다. ±1%까지 낮게 지정할 수 있는 선형성 덕분에 고정밀 차량 제어에 매우 적합합니다.

그림 1: 20LHE 계열 선형 홀 효과 위치 센서는 ±1%의 선형성을 제공합니다. (이미지 출처: Vishay)

20LHE 계열 센서는 열악한 환경에서도 작동하도록 설계되었으며, 유지 보수가 필요 없는 수명이 1,000만 주기 이상입니다. 보정이나 초기화 없이 전원을 공급하면 정확한 측정값을 제공합니다. 또한 이 센서는 선형성 드리프트가 없는 뛰어난 안정성을 제공합니다. 정적 히스테리시스는 공급 전압의 0.1%로 제한되며 동적 히스테리시스는 0.25%에 불과합니다.

그림 2와 같이 센서는 간편한 설치를 위해 플랜지에 실장되어 있으며, 샤프트가 실장면에서 30mm 연장되어 제어 메커니즘과의 연결이 용이합니다. 동시에, 20LHE 계열 센서의 전체 크기는 46mm x 20.8mm x 37mm에 불과하여 비좁은 차량 실내에도 설치할 수 있습니다.

그림 2: 20LHE 계열 센서는 크기가 작으며, 플랜지 실장 설계를 사용하여 쉽게 장착할 수 있습니다. (이미지 출처: Vishay)

선형 홀 효과 센서의 기계적 설계 고려 사항

중장비 차량 제어는 통제가 불가능한 환경에서도 높은 신뢰성을 제공해야 합니다. 따라서, 차량 제어 센서의 가혹한 취급을 견딜 수 있는 기능을 고려하는 것이 중요합니다. 열악한 환경에서는 물리적 충격이 발생할 수 있으며, 차량 엔진 및 서스펜션과 같은 원인으로 인한 진동도 발생할 수 있습니다. 20LHE 계열 센서는 최대 20g의 진동과 최대 50g의 충격을 견딜 수 있는 견고한 물리적 설계를 제공합니다.

20LHE 계열 센서는 먼지, 액체, -40°C~+85°C의 극한 온도에서 견딜 수 있도록 내구성이 뛰어난 열가소성 플라스틱 인클로저에 하우징됩니다. 스프링 리턴이 있는 모델의 환경 침투 보호(IP) 등급은 IP51이며, 이보다 높은 IP 등급도 제공됩니다.

IP 등급은 인클로저가 고체 물체(첫 번째 숫자)와 액체(두 번째 숫자)의 침입에 대해 제공하는 보호 수준을 나타냅니다. IP51의 경우, 5는 장치의 정상적인 작동에 영향을 미칠 정도의 먼지 유입으로부터 인클로저가 보호됨을 의미하며, 1은 수직으로 떨어지는 물방울로부터 보호됨을 의미합니다.

선형 홀 효과 센서 사용 시 전기 설계 고려 사항

열악한 환경에서는 정전기 방전, 다양한 전기 및 전자 시스템 간의 의도치 않은 상호 작용 등 전자기 위험도 존재합니다. 20LHE 계열은 이러한 광범위한 위험을 견딜 수 있습니다. 특히, +20V의 과전압과 -10V의 역전압을 견딜 수 있습니다. 기타 환경 규격은 표 1에 나와 있습니다.

표 1: 20LHE 계열은 물리적 및 전자기적 위험을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Vishay)

선형 홀 효과 센서가 올바르게 작동하려면 부하 저항과 페어링해야 합니다. 20LHE 계열의 경우, Vishay는 최소 1kΩ의 부하를 권장합니다.

선형 홀 효과 센서 선택

가장 먼저 고려해야 할 파라미터는 '정확도'로, 센서는 필요한 제어 정밀도를 지원해야만 합니다. 20LHE 계열의 경우, Vishay는 ±2% 선형성(20LHE1XWA1P30) 또는 ±1% 선형성(20LHE1AWA1P30) 중 하나를 선택할 수 있도록 지원합니다.

출력은 나머지 제어 시스템의 요구 사항과도 일치해야 합니다. 일반적인 옵션에는 아날로그 비율계량 또는 펄스 폭 변조(PWM)가 포함됩니다. 20LHE 계열은 센서 위치에 따라 출력이 증가하거나 감소하는 두 가지 구성 모두로 제공됩니다. 예를 들어 20LHE1AWB1P30은 아날로그 감소 출력을 갖추어, 해당 출력은 센서 샤프트가 완전히 압축될 때 가장 낮습니다(그림 3).

그림 3: 20LHE1AWB1P30은 아날로그 감소 출력을 갖추어, 센서 샤프트가 완전히 압축될 때 최소값에 도달합니다. (이미지 출처: Vishay)

샤프트 자체에 대해서도 고려해야 합니다. 예를 들어 20LHE 계열에는 3.175mm 샤프트가 있으며, 선택적으로 M3 x 6mm 스레드로 나선형 가공이 가능합니다. 이러한 구성은 설치를 간소화하며, 제어 메커니즘에 대한 보다 안전한 연결을 제공할 수 있습니다.

대부분의 20LHE 계열 모델에는 스프링 리턴이 장착되어 있습니다. 이 스프링은 자체 센터링 메커니즘을 제공하여, 센서를 이탈이게 했던 힘이 제거되면 센서가 원래 위치로 돌아가도록 합니다. 이 기능은 스로틀 위치 센서와 같이 운전자가 입력 힘을 자주 가하고 해제하는 차량 제어 응용 제품에 유용할 수 있습니다. 20LHE2AWA1P30과 같이 스프링이 없는 모델도 제공됩니다.

결론

비접점 옵션인 선형 홀 효과 센서는 중장비 차량 제어에 매우 적합합니다. 20LHE 계열은 초소형 폼 팩터로 제공되며, 플랜지에 실장되므로 간편하게 설치할 수 있습니다. 또한 열악한 작업 환경을 견딜 수 있도록 내구성이 뛰어나며, 물리적 및 전자기적 위험에도 안정적이고 유지 보수가 필요 없는 정밀도를 제공합니다.