如何达到3D位置感测的即时控制
本文回顾3D霍尔效应位置感测器的基础知识，并描述在机器人、篡改侦测、人机介面控制和万向节马达系统中的用途；以及介绍高精密度缐性3D霍尔效应位置感测器的范例...
本文回顾3D霍尔效应位置感测器的基础知识，并描述在机器人、篡改侦测、人机介面控制和万向节马达系统中的用途；以及介绍高精密度缐性3D霍尔效应位置感测器的范例。
用于即时控制的3D位置感测在各种工业4.0应用中不断增加，从工业机器人、自动化系统，到扫地机器人和保全。3D霍尔效应位置感测器是这些应用的理想选择；它们具有高重复性和可靠性，还可以与窗户、门和外壳搭配，进行入侵或磁性篡改侦测。
尽管如此，使用霍尔效应感测器设计有效且安全的3D感测系统可能复杂且耗时。霍尔效应感测器需要与足够强大的微控制器（MCU）介接，以充当角度计算引擎并执行量测平均，以及增益和偏移补偿，以确定磁体方向和3D位置。MCU还需要处理各种诊断，包括监测磁场、系统温度、通讯、连续性、内部讯号路径和电源。
除了硬体设计之外，软体开发也可能复杂且耗时，进而延迟产品上市的时间。
为了因应这些挑战，设计人员可以使用含内部计算引擎的整合式霍尔效应 3D位置感测器 IC。这些 IC简化软体设计，并将系统处理器的负载降低多达 25%，因此可以使用低成本的一般用途MCU。还可以提供快速採样率和低延迟，达到准确的即时控制。针对电池供电的装置，3D霍尔效应位置感测器可以在 5 Hz或更小的工作週期下运作，最大程度降低功耗。此外，整合功能和诊断功能可最大程度提高设计灵活性以及系统安全性和可靠性。
本文回顾3D霍尔效应位置感测器的基础知识，并描述在机器人、篡改侦测、人机介面控制和万向节马达系统中的用途。接着介绍德州仪器（Texas instruments；TI）高精密度缐性 3D霍尔效应位置感测器的范例，以及相关的评估板和实作指南，以加速开发过程。
3D霍尔效应感测器
3D霍尔效应感测器可以蒐集完整磁场的相关资讯，进而使用距离和角度量测来确定3D环境中的位置。这些感测器最常见的两种放置方式是在轴上以及与磁极化共面（图 1）。放置在偏振轴上时，该场向感测器提供单向输入，可用于判定位置。无论感测器的距离如何，共面放置都会产生一个平行于磁体面的场向量，还可以判定位置和角度。
|
工业 4.0 系统（如机器人）需要多轴动作感测来量测机械臂的角度，或者在移动机器人的每个轮子上量测，以支援整个设施的导航和精确移动。整合式 3D 霍尔效应感测器非常适合这些任务，因为它们不易受潮湿或髒污的影响。共面量测提供旋转轴的高精密度磁场量测（图 2）。
|
电表、瓦斯錶、自动提款机（ATM）、企业伺服器和电子销售点设备等安全外壳可以使用轴上场量测来侦测入侵（图 3）。当外壳开启时，3D 霍尔效应感测器感应到的磁通密度（B）会降低，直到低于霍尔开关的磁通释放点（BRP）规范，此时感测器会发送警报。当外壳关闭时，磁通密度必须相对于BRP 够大，以防止误报。由于磁体的磁通密度会随着温度的升高而降低，因此使用具有温度补偿功能的 3D 霍尔效应感测器，可以提高工业或户外环境中使用的外壳的系统可靠性。
|
家电、测试和量测设备以及个人电子产品中的人机介面和控制，受益于所有三个动作轴的使用。感测器监测X和Y平面上的动作以识別转盘的旋转，并且透过监测X和 Y磁轴的大位移来识別转盘何时被推动。监控Z轴让系统能够识別错位，并就表盘可能需要预防性维护的磨损或损坏发送警报。
手持相机稳定器和无人机中的万向节马达系统，受益于具有可选磁场灵敏度范围和其他可编程参数的 3D 霍尔效应感测器，为MCU提供角度量测（图 4）。MCU依据需求，持续调整马达位置以稳定平台。准确、精确地量测轴上和离轴位置角度的感测器提供机械设计灵活性。
|
平面外量测通常会导致不同的磁场强度（增益）和不同轴的不同偏移，这可能会造成角度计算错误。使用含增益和偏移校正的3D霍尔感测器，在相对于磁体放置感测器时支援灵活性，确保最准确的角度计算。
灵活的 3D 霍尔效应感测器
TI为设计人员提供一系列三轴缐性霍尔效应感测器，包括具有10 MHz序列周边介面（SPI）和循环冗馀检查（CRC）的TMAG5170系列高精密度3D缐性霍尔效应感测器，以及TMAG5273系列具有 I2C介面和CRC的低功率缐性3D霍尔效应感测器。
TMAG5170 元件经过最佳化以达到快速准确的位置感测，包括±2.6%的缐性测量总误差 （25°C 时为最大值）；灵敏度温度漂移为±2.8%（最大值）；单轴 20 Ksps的转换率。TMAG7273元件具有低功耗模式，包括2.3 mA主动模式电流；1 μA唤醒和睡眠模式电流；5 nA 睡眠模式电流。这些 IC包括四个主要功能块（图 5）：
‧ 电源管理和振盪器模组，包括欠压和过压侦测、偏置和振盪器。
‧ 霍尔感测器以及多工器、杂讯滤波器、温度感测、积体电路、类比数位转换器 （ADC） 相关的偏置构成感测和温度测量模组。
‧ 通讯控制电路、静电放电（ESD）保护、输入／输出（I/O）功能和CRC都包含在介面模组中。
‧ 数位核心包含用于强制和使用者启用诊断检查的诊断电路、其他内务管理功能，以及一个整合式角度计算引擎，可为轴上和离轴角度量测提供 360° 角度位置资讯。
|
TMAG5170元件採用8引脚 VSSOP封装，尺寸为 3.00 x 3.00 mm，额定环境温度范围为 -40°C 至 +150°C。TMAG5170A1 包括 ±25 mT、±50 mT和 ±100 mT的灵敏度范围，而 TMAG5170A2 支援 ±75 mT、±150 mT、±300 mT。
低功率 TMAG5273 系列採用 6 引脚 DBV 封装，尺寸为 2.90 x 1.60 mm，额定环境温度范围为 -40°C 至 +125°C。还提供两种不同的型号；灵敏度范围为 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支援 ±133 mT 和 ±266 mT 的 TMAG5273A2。
两种使用者可选的磁轴用于角度计算。透过磁增益和偏移校正，将系统机械误差源的影响降至最低。板载温度补偿功能可用于独立补偿磁体或感测器的温度变化。这些 3D 霍尔效应感测器可以透过通讯介面进行配置，允许使用者控制的磁轴和温度量测组合。MCU可以使用TMAG5170的ALERT引脚或TMAG5273的INT引脚来触发新的感测器转换。
评估板协助入门
至于两款分別用于 TMAG5170 系列及TMAG5273 系列的评估板，可以进行基本功能评估（图 6）。TMAG5170EVM将TMAG5170A1和TMAG5170A2型号涵盖在一个卡扣式 PC 板上。其中包括一个感测器控制板，与图形使用者介面（GUI）介接，以查看和储存测量值，以及读取和写入暂存器。3D列印的旋转和推动模组用于测试角度量测的常用功能。
|
|
使用 3D 霍尔感测器
使用这些3D霍尔效应位置感测器时，设计人员需要注意一些实作事项：
‧ TMAG5170内结果暂存器的 SPI 读取，或TMAG5273中的I2C读取，需要与转换更新时间同步，以确保读取正确的数据。TMAG5170的ALERT讯号或TMAG5273的 INT讯号可在转换完成且数据就绪时通知控制器。
‧ 低电感去耦电容必须靠近感测器引脚放置。建议使用至少为 0.01 μF 的陶瓷电容。
‧ 这些霍尔效应感测器可以嵌入由塑料或铝等非铁材料制成的外壳中，感应磁铁位于外部。感测器和磁铁也可以放置在印刷电路板的相对两侧。
结论
随着3D动作和控制的发展，设计人员需要即时获得准确的量测结果，同时透过简化设计将成本降至最低，同时还要最大程度地降低功耗。TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍尔效应感测器能够解决这些问题，提供快速採样率和低延迟的灵活性，达到准确的即时控制，或低採样率以最大程度地降低电池供电装置的功耗。整合式增益和偏移校正算法确保高准确度，并结合磁体和感测器的独立温度校正。
（本文作者Barley Li为Digi-Key Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）