如何為實時控制進行快速、精確和低功耗位置檢測

作者：Jeff Shepard

在各種工業(yè) 4.0 應用中，通過 3D 位置檢測進行實時控制的情況越來越多，從工業(yè)機器人、自動化系統(tǒng)到機器人真空和安防。3D霍爾效應位置傳感器無疑是這些應用的極好選擇，因為這種傳感器具有很高的重復性和可靠性，而且還可與門窗、外殼組合，用于入侵或磁力破壞探測。

不過，使用霍爾效應傳感器設計有效、安全的 3D 感測系統(tǒng)可能是一個復雜、耗時的過程?；魻栃獋鞲衅餍枰c一個功能強大的微控制器 （MCU）連接，作為角度計算引擎并執(zhí)行測量平均化，以及增益和失調(diào)補償，以確定磁鐵的方向和 3D 位置。MCU還需要執(zhí)行各種診斷功能，包括監(jiān)測磁場、系統(tǒng)溫度、通信、連續(xù)性、內(nèi)部信號路徑和電源。

除了硬件設計外，軟件開發(fā)也可能是一個復雜而耗時的過程，從而再一次拖延產(chǎn)品上市時間。

為了克服這些挑戰(zhàn)，設計者可以使用具有內(nèi)部計算引擎的集成霍爾效應 3D 位置傳感器 IC。這種 IC 能夠簡化軟件設計，并將系統(tǒng)處理器的負載減少近25%，從而使用通用型低成本 MCU。這種 IC 還可以為精確的實時控制提供快速采樣率、低延遲。在電池供電型設備中，3D 霍爾效應位置傳感器可以在 5 Hz或更低的占空比下運行，以最大限度地降低功耗。此外，集成的功能和診斷方法最大限度地提高了設計靈活性、系統(tǒng)安全性和可靠性。

本文將回顧 3D 霍爾效應位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機器人、篡改檢測、人機接口控制和萬向電機系統(tǒng)中的應用。然后以 TexasInstruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應位置傳感器為例進行介紹并給出相關的評估板、實施指導，以加快開發(fā)過程。

什么是 3D 霍爾效應傳感器？

3D 霍爾效應傳感器可以收集完整的磁場信息，從而在 3D環(huán)境中通過測量距離和角度來確定具體位置。這種傳感器最常見的放置位置有兩個：磁極化軸和磁極化共面（圖1）。當放置于極化軸上時，磁場向傳感器提供可用于位置測定的單向輸入。共面放置則會產(chǎn)生一個與磁鐵表面平行但不考慮與傳感器距離的磁場矢量，此時也能確定位置和角度。

諸如機器人之類的工業(yè) 4.0系統(tǒng)，需要通過多軸運動檢測來測量機器人手臂的角度，或在移動機器人的每個滾輪上進行多軸檢測，以支持整個在設施內(nèi)的導航和精確運動。集成 3D霍爾效應傳感器非常適用于這些任務，因為它們不容易受潮濕或灰塵的影響。使用共面測量法，可對旋轉(zhuǎn)軸磁場進行高度精確的測量（圖 2）。

諸如電表和煤氣表、自動取款機 （ATM）、企業(yè)服務器和收銀機的安全外殼可以通過軸上磁場測量進行入侵檢測（圖 3）。當外殼被打開時，3D霍爾效應傳感器會檢測到的磁通密度 （B） 下降，并且當磁通密度下降至低于霍爾開關的磁通釋放點 （BRP）點時，霍爾效應傳感器發(fā)出警報。為了在關閉外殼時防止誤報警，必須保持磁通密度必須足夠大（相對于 BRP來說）。由于磁鐵的磁通密度往往會隨著溫度的升高而降低，因此使用具有溫度補償功能的 3D 霍爾效應傳感器可以提高工業(yè)或戶外環(huán)境中設備外殼的系統(tǒng)可靠性。

所有三個運動軸都有益于家用電器、測試和測量設備以及個人電子產(chǎn)品中的人機界面和控制。一個傳感器可以監(jiān)視 X 和 Y平面內(nèi)的運動，以識別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，并且可以通過監(jiān)視 X 和 Y 磁軸的大幅移動來識別轉(zhuǎn)盤何時被推動。監(jiān)視 Z軸可實現(xiàn)系統(tǒng)能夠識別是否錯位，并在轉(zhuǎn)盤因為磨損或損壞可能需要預防性維護時發(fā)出警報。

手持式相機穩(wěn)定器和無人機中的萬向電機系統(tǒng)都得益于使用 3D 霍爾效應傳感器，這種傳感器具有多個場靈敏度范圍和其他可編程參數(shù)，可向 MCU提供角度測量值（圖 4）。MCU 會根據(jù)需要不斷調(diào)節(jié)電機位置以穩(wěn)定平臺。一個能準確無誤地測量在軸和偏軸位置角度的傳感器可提高機械設計的靈活性。

平面外測量往往會造成不同的磁場強度（增益）和不相同軸的偏移，這會造成角度計算誤差。使用具有增益和偏移校正功能的 3D霍爾傳感器時，可靈活地相對于磁鐵于放置傳感器，以確保角度計算最精確。

柔性 3D 霍爾效應傳感器

Texas instruments 為設計者提供了一系列三軸線性霍爾效應傳感器，包括 TMAG5170 系列高精度 3D 線性霍爾效應傳感器和TMAG5273 系列低功率線性 3D 霍爾效應傳感器，兩者均具有循環(huán)冗余校驗功能 （CRC），但 前者采用 10 MHz 串行外設接口 （SPI），后者采用I2C 接口。

TMAG5170 器件針對快速、準確的位置檢測進行了優(yōu)化，具體包括：線性測量總誤差為 ±2.6%（25°C 時最大）、靈敏度溫度漂移為±2.8%（最大）和單軸轉(zhuǎn)換率為 20 Ksps（每秒 2 萬個樣本）。TMAG7273 器件地方特點是低功耗，具體為：2.3 mA 活動模式電流、1 μA喚醒和睡眠模式電流和 5 nA 睡眠模式電流。這些 IC 包括四個主要功能塊（圖 5）。

電源管理和振蕩器功能塊包括欠壓和過壓檢測、偏置和振蕩器。

霍爾傳感器、相關偏置以及多路復用器、噪聲濾波器、溫度檢測、積分電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 組成了檢測、溫度測量功能塊。

通信控制電路、靜電放電 （ESD） 保護、輸入/輸出 （I/O） 功能和 CRC 均包含在接口功能塊中。

數(shù)字內(nèi)核包括診斷電路和集成角度計算引擎，前者用于強制性和由用戶啟用的診斷檢查功能以及其他內(nèi)部管理功能，后者用于為在軸和偏軸角度測量提供 360°角位置信息。

TMAG5170 器件采用 8 針 VSSOP 封裝，尺寸為 3.00 x 3.00 mm 且指定環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至
+150°C。TMAG5170A1 的靈敏度范圍為 ±25 毫特斯拉 （mT）、±50 mT 和 ±100 mT，而 TMAG5170A2 則為 ±75mT、±150 mT 和 ±300 mT 。

TMAG5273 低功耗系列采用 6 針 DBV 封裝，尺寸為 2.90 x 1.60 mm 且指定環(huán)境溫度范圍為 -40℃ 至
+125℃。該系列分為兩種不同的型號；TMAG5273A1 的靈敏度范圍為 ±40 mT 和 ±80 mT，而 TMAG5273A2 的靈敏度則為 ±133mT 和 ±266 mT。

兩個可由用戶選擇的磁軸用于角度計算。通過磁增益和偏移校正，可最大限度地降低系統(tǒng)機械誤差源的影響。板載溫度補償功能可用于獨立補償磁鐵或傳感器的溫度變化。這些3D 霍爾效應傳感器可以通過通信接口進行配置，以實現(xiàn)由用戶控制的磁軸和溫度測量組合。TMAG5170 的 ALERT 引腳或 TMAG5273 的 INT引腳可以被 MCU 用來觸發(fā)新的傳感器轉(zhuǎn)換。

評估板有助于啟動工作

Texas Instruments 還提供兩塊評估板用于基本功能評估，一塊用于 TMAG5170 系列，另一塊用于 TMAG5273 系列（圖6）。TMAG5170EVM 包括了安裝在同一塊快拆板上的 TMAG5170A1 和 TMAG5170A2 型號器件。TMAG5273EVM 的TMAG5273A1 和 TMAG5273A2 型號器件安裝在同一塊快拆電路板上。這兩種評估板均包括一塊帶有圖形用戶界面 （GUI）傳感器控制板，從而便于查看、保存測量結(jié)果并對寄存器進行讀寫操作。通過 3D 打印制成的旋轉(zhuǎn)和推動模塊用來測試常見的角度測量功能。

使用 3D 霍爾傳感器

在使用 3D 霍爾效應位置傳感器時，設計者需要注意一些具體實施方面的問題。

TMAG5170 的結(jié)果寄存器的 SPI 讀數(shù)或者 TMAG5273 的 I2C 讀數(shù)需要與轉(zhuǎn)換更新時間同步，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。TMAG5170 的ALERT 信號或 TMAG5273 的 INT 信號可用于在轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)準備就緒時通知控制器。

低電感去耦電容器必須放置在傳感器引腳附近。建議使用電容值至少為 0.01 μF 的陶瓷電容器。

這些霍爾效應傳感器可以嵌入采用非鐵材料（如塑料或鋁）制成的外殼內(nèi)，而檢測用磁鐵位于外殼外面。傳感器和磁鐵也可以放置與 PC 板相對的一側(cè)。

結(jié)語

隨著 3D 運動和控制的發(fā)展，設計者既需要實時獲得準確的測量結(jié)果，又能通過簡化設計在將成本降至最低的同時盡節(jié)能降低功耗。如圖所示，TMAG5170 和TMAG5273 集成 3D霍爾效應傳感器解決了這些問題，為實時精確控制提供了快速采樣率和低延遲靈活性，或為電池供電型設備提供了慢速采樣率，從而最大限度地降低功耗。通過集成增益和失調(diào)校正算法并結(jié)合磁鐵和傳感器的獨立溫度校正功能來確保高精確度。