3D霍爾效應(yīng)位置傳感器的基本原理及其應(yīng)用案例

文章概述

本文將回顧 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機(jī)器人、篡改檢測、人機(jī)接口控制和萬向電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器為例，介紹相關(guān)的評估板及其應(yīng)用指導(dǎo)，從而加快開發(fā)進(jìn)程。如果您對3D霍爾效應(yīng)傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會有所幫助。

在各種工業(yè) 4.0 應(yīng)用中，通過 3D 位置檢測進(jìn)行實時控制的情況越來越多，從工業(yè)機(jī)器人、自動化系統(tǒng)到機(jī)器人真空和安防。3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器無疑是這些應(yīng)用的極好選擇，因為這種傳感器具有很高的重復(fù)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。 3D感測系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)與解決方案 使用霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計有效、安全的 3D 感測系統(tǒng)可能是一個復(fù)雜、耗時的過程?；魻栃?yīng)傳感器需要與一個功能強(qiáng)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(bǔ)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(shè)計外，軟件開發(fā)也可能是一個復(fù)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(shè)計者可以使用具有內(nèi)部計算引擎的集成霍爾效應(yīng) 3D 位置傳感器 IC。這種 IC 能夠簡化軟件設(shè)計，并將系統(tǒng)處理器的負(fù)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(shè)備中，3D 霍爾效應(yīng)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(shè)計靈活性、系統(tǒng)安全性和可靠性。

什么是 3D 霍爾效應(yīng)傳感器?

3D霍爾效應(yīng)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(dāng)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。

圖 1：3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器可以放在磁場軸上或與磁場共面，以測量距離和角度運動。(圖片來源：Texas Instruments)

諸如機(jī)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(jī)器人手臂的角度，或在移動機(jī)器人的每個滾輪上進(jìn)行多軸檢測，以支持整個在設(shè)施內(nèi)的導(dǎo)航和精確運動。集成 3D 霍爾效應(yīng)傳感器非常適用于這些任務(wù)，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(jìn)行高度精確的測量(圖 2)。

圖 2：集成 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以測量機(jī)器人和其他工業(yè) 4.0 應(yīng)用中的軸旋轉(zhuǎn)。(圖片來源：Texas Instruments)

諸如電表和煤氣表、自動取款機(jī) (ATM)、企業(yè)服務(wù)器和收銀機(jī)的安全外殼可以通過軸上磁場測量進(jìn)行入侵檢測(圖 3)。當(dāng)外殼被打開時，3D 霍爾效應(yīng)傳感器會檢測到的磁通密度 (B) 下降，并且當(dāng)磁通密度下降至低于霍爾開關(guān)的磁通釋放點 (BRP) 點時，霍爾效應(yīng)傳感器發(fā)出警報。為了在關(guān)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(bǔ)償功能的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以提高工業(yè)或戶外環(huán)境中設(shè)備外殼的系統(tǒng)可靠性。

圖 3：可以用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器來實現(xiàn)外殼篡改檢測，以識別非授權(quán)訪問。(圖片來源：Texas Instruments)

所有三個運動軸都有益于家用電器、測試和測量設(shè)備以及個人電子產(chǎn)品中的人機(jī)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(yù)防性維護(hù)時發(fā)出警報。

手持式相機(jī)穩(wěn)定器和無人機(jī)中的萬向電機(jī)系統(tǒng)都得益于使用3D 霍爾效應(yīng)傳感器，這種傳感器具有多個磁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(jī)位置以穩(wěn)定平臺。一個能準(zhǔn)確無誤地測量在軸和偏軸位置角度的傳感器可提高機(jī)械設(shè)計的靈活性。

圖 4：具有多個磁場靈敏度范圍的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器在手持式相機(jī)平臺和無人機(jī)完向電機(jī)中具有重要的作用。(圖片來源：Texas Instruments)

平面外測量往往會造成不同的磁場強(qiáng)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(yīng)傳感器

Texasinstruments 為設(shè)計者提供了一系列三軸線性霍爾效應(yīng)傳感器，包括TMAG5170 系列高精度 3D 線性霍爾效應(yīng)傳感器和 TMAG5273 系列低功率線性 3D 霍爾效應(yīng)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(shè)接口 (SPI)，后者采用 I2C 接口。 TMAG5170器件針對快速、準(zhǔn)確的位置檢測進(jìn)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(guān)偏置以及多路復(fù)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(hù)、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(qiáng)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。

圖 5：TMAG5170 型號器件和 TMAG5273 型號器件除了分別采用 SPI 接口(如上圖所示)和 I2C 接口外，其所用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的內(nèi)部功能模塊是相同的。(圖片來源：Texas Instruments)

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±75 mT、±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±133 mT 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(jī)械誤差源的影響。板載溫度補(bǔ)償功能可用于獨立補(bǔ)償磁鐵或傳感器的溫度變化。這些 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以通過通信接口進(jìn)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。

評估板高效提升啟動工作 TexasInstruments 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(jìn)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。

圖 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一塊具有兩個不同的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的快裝電路板(右下)，一個傳感器控制板(左下)，通過 3D 打印制造的旋轉(zhuǎn)和推動模塊(中間)以及一根 USB 電源電纜。(圖片來源：Texas Instruments)

圖 7：安裝在 EVM 頂部的 3D 打印旋轉(zhuǎn)和推動模塊插圖。(圖片來源：Texas Instruments)

3D 霍爾傳感器應(yīng)用指導(dǎo)

在使用 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器時，設(shè)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(zhǔn)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(yīng)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(shè)計者既需要實時獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果，同時希望通過簡化設(shè)計，在將成本降至最低的同時，盡可能地降低功耗。如上文所示，TMAG5170 和 TMAG5273 集成 3D 霍爾效應(yīng)傳感器解決了這些問題。它們不僅為實時精確控制提供了快速采樣率和低延遲靈活性，還特別為電池供電型設(shè)備提供了慢速采樣率，從而最大限度地降低功耗。此外，通過集成增益和失調(diào)校正算法，以及磁鐵和傳感器的獨立溫度校正功能來確保測量的高精確度，滿足了設(shè)計者對性能和成本效益的雙重要求。