Eddy current angular position sensor for automotive

Abstract

Os sensores angulares usados em aplicações automóveis, requerem uma boa resolução, fiabilidade, baixa manutenção, baixo custo de produção e capacidade de trabalhar sob condições adversas. Devido a estes requisitos, os sensores mais utilizados são os magnéticos, indutivos e magneto-indutivos. Outro fator crítico é a dimensão do sensor, quanto mais reduzido e compacto, maior é o número de aplicações em que pode ser aplicado. No caso dos sensores magneto-indutivos e indutivos, uma forma de reduzir o seu tamanho é através do uso de a bobines planares impressas em placas de circuito impresso (PCB). Estas, para além de mais compactas, conseguem também reduzir os custos de produção, otimizar a repetibilidade e assemblagem, e permitir que o seu desenho seja facilmente adaptado às suas aplicações. No desenvolvimento de sensores indutivos, obter a indutância das bobinas, que funcionam como elemento transdutor, é essencial e desafiador no caso de bobinas planas. Atualmente, há duas abordagens no estado da arte: fórmulas de aproximação (para geometrias regulares), e simulações de modelos de elementos finitos (FEM). As simulações são demoradas e recorrem a ferramentas de software dispendiosas e que exigem muitos recursos computacionais. Esta tese tem como objetivo desenvolver uma ferramenta de cálculo analítico para obter a indutância de bobinas planas genéricas, reduzindo o tempo de desenvolvimento. A ferramenta possibilita ainda o cálculo da interferência que um alvo planar condutivo tem na indutância da bobine, tornando assim possível obter a resposta de um sensor indutivo baseado em eddy currents durante a sua fase de desenvolvimento. Esta tese, além de detalhar o desenvolvimento da ferramenta mencionada, também descreve todos os processos de validação implementados, através de simulações FEM e testes experimentais. A metodologia proposta foi aplicada com sucesso no desenvolvimento de um sensor de posição angular automotivo baseado em eddy currrents. Foi possível comprovar que a precisão da ferramenta desenvolvida está de acordo com as metodologias usualmente utilizadas, com a vantagem de ser mais rápida e económica.

Angular sensors used in automotive applications require good precision, reliability, low maintenance, low production costs and the ability to work in harsh conditions. Due to these requirements, magnetic, inductive and magneto-inductive sensors are preferred and are used in current generations of automotive angular position sensors. The size of the sensors is another relevant factor in the development of new solutions. The smaller and more compact, the larger the number of applications in which they can be applied. In the case of magneto-inductive and inductive sensors, one way to reduce their size is to use planar coils printed on printed circuit boards (PCBs). These, in addition to occupy a smaller volume when compared to solenoids, also reduce production costs and optimize repeatability and simplify assembly. When developing inductive sensors, knowing the required inductance value of its coils is essential and this task can be challenging in the case of planar coils. Currently, two approaches are used to calculate the inductances of planar coils. When the coils have regular geometry approximation formulas are used, configuring some parameters. When they have irregular geometry or a more accurate result is desired, simulations using finite element methods (FEM) are chosen. These simulations have the disadvantage of being time-consuming, requiring expensive software applications and a huge computing resources. In view of the budget and the reduction of development time, this thesis provides an analytical calculation tool for the inductance of generic multi-layer planar coils. In this way, it is possible to develop dedicated applications in reduced time. The tool also allows to calculate the interference that a planar conductive target, of arbitrary geometry, can have on the coil inductance. Thus, it is possible to obtain the response of an inductive sensor based on eddy currents during its development phase. This thesis, in addition to detailing the development of the aforementioned tool, also describes all the validation processes implemented using FEM simulations and experimental tests. The proposed methodology was successfully applied in the development of an automotive angular position sensor based on eddy currents. It was possible to prove that the precision of the developed analytical tool is in concordance with the methodologies usually used, with the advantage of being faster and open source.