如何達到3D位置感測的實時控制

本文回顧3D霍爾效應位置傳感器的基礎知識，并描述在機器人、篡改偵測、人機接口控制和萬向節(jié)馬達系統(tǒng)中的用途；以及介紹高精密度線性3D霍爾效應位置傳感器的范例。

用于實時控制的3D位置感測在各種工業(yè)4.0應用中不斷增加，從工業(yè)機器人、自動化系統(tǒng)，到掃地機器人和保全。3D霍爾效應位置傳感器是這些應用的理想選擇；它們具有高重復性和可靠性，還可以與窗戶、門和外殼搭配，進行入侵或磁性篡改偵測。

盡管如此，使用霍爾效應傳感器設計有效且安全的3D感測系統(tǒng)可能復雜且耗時?；魻栃獋鞲衅餍枰c足夠強大的微控制器（MCU）介接，以充當角度計算引擎并執(zhí)行量測平均，以及增益和偏移補償，以確定磁體方向和3D位置。MCU還需要處理各種診斷，包括監(jiān)測磁場、系統(tǒng)溫度、通訊、連續(xù)性、內(nèi)部訊號路徑和電源。

除了硬件設計之外，軟件開發(fā)也可能復雜且耗時，進而延遲產(chǎn)品上市的時間。

為了因應這些挑戰(zhàn)，設計人員可以使用含內(nèi)部計算引擎的整合式霍爾效應 3D位置傳感器 IC。這些 IC簡化軟件設計，并將系統(tǒng)處理器的負載降低多達 25%，因此可以使用低成本的一般用途MCU。還可以提供快速采樣率和低延遲，達到準確的實時控制。針對電池供電的裝置，3D霍爾效應位置傳感器可以在 5 Hz或更小的工作周期下運作，最大程度降低功耗。此外，整合功能和診斷功能可最大程度提高設計靈活性以及系統(tǒng)安全性和可靠性。

本文回顧3D霍爾效應位置傳感器的基礎知識，并描述在機器人、篡改偵測、人機接口控制和萬向節(jié)馬達系統(tǒng)中的用途。接著介紹德州儀器（Texas instruments；TI）高精密度線性 3D霍爾效應位置傳感器的范例，以及相關的評估板和實作指南，以加速開發(fā)過程。

3D霍爾效應傳感器
3D霍爾效應傳感器可以搜集完整磁場的相關信息，進而使用距離和角度量測來確定3D環(huán)境中的位置。這些傳感器最常見的兩種放置方式是在軸上以及與磁極化共面（圖 1）。放置在偏振軸上時，該場向傳感器提供單向輸入，可用于判定位置。無論傳感器的距離如何，共面放置都會產(chǎn)生一個平行于磁體面的場向量，還可以判定位置和角度。


 
圖1 : 3D霍爾效應位置傳感器可以與磁場同軸或共面放置，以測量距離和角動作。（source：Texas Instruments）

工業(yè) 4.0 系統(tǒng)（如機器人）需要多軸動作感測來量測機械臂的角度，或者在移動機器人的每個輪子上量測，以支持整個設施的導航和精確移動。整合式 3D 霍爾效應傳感器非常適合這些任務，因為它們不易受潮濕或臟污的影響。共面量測提供旋轉(zhuǎn)軸的高精密度磁場量測（圖 2）。


 
圖2 : 整合式 3D 霍爾效應傳感器可以量測機器人和其他工業(yè) 4.0 應用的軸旋轉(zhuǎn)。（source：Texas Instruments）

電表、瓦斯表、自動提款機（ATM）、企業(yè)服務器和電子銷售點設備等安全外殼可以使用軸上場量測來偵測入侵（圖 3）。當外殼開啟時，3D 霍爾效應傳感器感應到的磁通密度（B）會降低，直到低于霍爾開關的磁通釋放點（BRP）規(guī)范，此時傳感器會發(fā)送警報。當外殼關閉時，磁通密度必須相對于BRP 夠大，以防止誤報。由于磁體的磁通密度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)境中使用的外殼的系統(tǒng)可靠性。


 
圖3 : 可以使用 3D 霍爾效應傳感器進行外殼篡改偵測，以識別未授權的存取。（source：Texas Instruments）

家電、測試和量測設備以及個人電子產(chǎn)品中的人機接口和控制，受益于所有三個動作軸的使用。傳感器監(jiān)測X和Y平面上的動作以識別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，并且透過監(jiān)測X和 Y磁軸的大位移來識別轉(zhuǎn)盤何時被推動。監(jiān)控Z軸讓系統(tǒng)能夠識別錯位，并就表盤可能需要預防性維護的磨損或損壞發(fā)送警報。

手持相機穩(wěn)定器和無人機中的萬向節(jié)馬達系統(tǒng)，受益于具有可選磁場靈敏度范圍和其他可編程參數(shù)的 3D 霍爾效應傳感器，為MCU提供角度量測（圖 4）。MCU依據(jù)需求，持續(xù)調(diào)整馬達位置以穩(wěn)定平臺。準確、精確地量測軸上和離軸位置角度的傳感器提供機械設計靈活性。



 
圖4 : 手持相機平臺和無人機中的萬向節(jié)馬達受益于具有可選磁場靈敏度范圍的 3D 霍爾效應傳感器。（source：Texas Instruments）

平面外量測通常會導致不同的磁場強度（增益）和不同軸的不同偏移，這可能會造成角度計算錯誤。使用含增益和偏移校正的3D霍爾傳感器，在相對于磁體放置傳感器時支持靈活性，確保最準確的角度計算。

靈活的 3D 霍爾效應傳感器
TI為設計人員提供一系列三軸線性霍爾效應傳感器，包括具有10 MHz序列周邊接口（SPI）和循環(huán)冗余檢查（CRC）的TMAG5170系列高精密度3D線性霍爾效應傳感器，以及TMAG5273系列具有 I2C接口和CRC的低功率線性3D霍爾效應傳感器。

TMAG5170 組件經(jīng)過優(yōu)化以達到快速準確的位置感測，包括±2.6%的線性測量總誤差 （25°C 時為最大值）；靈敏度溫度漂移為±2.8%（最大值）；單軸 20 Ksps的轉(zhuǎn)換率。TMAG7273組件具有低功耗模式，包括2.3 mA主動模式電流；1 μA喚醒和睡眠模式電流；5 nA 睡眠模式電流。這些 IC包括四個主要功能塊（圖 5）：

? 電源管理和振蕩器模塊，包括欠壓和過壓偵測、偏置和振蕩器。

? 霍爾傳感器以及多任務器、噪聲濾波器、溫度感測、集成電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 （ADC） 相關的偏置構成感測和溫度測量模塊。

? 通訊控制電路、靜電放電（ESD）保護、輸入／輸出（I/O）功能和CRC都包含在接口模塊中。

? 數(shù)字核心包含用于強制和使用者啟用診斷檢查的診斷電路、其他內(nèi)務管理功能，以及一個整合式角度計算引擎，可為軸上和離軸角度量測提供 360° 角度位置信息。


 
圖5 : 除了TMAG5170型號上的SPI界面和TMAG5273型號上的I2C界面外，兩款 3D霍爾效應傳感器IC系列的內(nèi)部功能區(qū)塊相同。（source：Texas Instruments）

TMAG5170組件采用8引腳 VSSOP封裝，尺寸為 3.00 x 3.00 mm，額定環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 +150°C。TMAG5170A1 包括 ±25 mT、±50 mT和 ±100 mT的靈敏度范圍，而 TMAG5170A2 支持 ±75 mT、±150 mT、±300 mT。

低功率 TMAG5273 系列采用 6 引腳 DBV 封裝，尺寸為 2.90 x 1.60 mm，額定環(huán)境溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。還提供兩種不同的型號；靈敏度范圍為 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支持 ±133 mT 和 ±266 mT 的 TMAG5273A2。

兩種使用者可選的磁軸用于角度計算。透過磁增益和偏移校正，將系統(tǒng)機械誤差源的影響降至最低。板載溫度補償功能可用于獨立補償磁體或傳感器的溫度變化。這些 3D 霍爾效應傳感器可以透過通訊接口進行配置，允許用戶控制的磁軸和溫度量測組合。MCU可以使用TMAG5170的ALERT引腳或TMAG5273的INT引腳來觸發(fā)新的傳感器轉(zhuǎn)換。

評估板協(xié)助入門
至于兩款分別用于 TMAG5170 系列及TMAG5273 系列的評估板，可以進行基本功能評估（圖 6）。TMAG5170EVM將TMAG5170A1和TMAG5170A2型號涵蓋在一個卡扣式 PC 板上。其中包括一個傳感器控制板，與圖形用戶接口（GUI）介接，以查看和儲存測量值，以及讀取和寫入緩存器。3D打印的旋轉(zhuǎn)和推動模塊用于測試角度量測的常用功能。


 
圖6 : TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一個具有兩個不同 3D 霍爾效應傳感器 IC（右下）、一個傳感器控制板（左下）、3D 打印旋轉(zhuǎn)和推動模塊（中）和一條 USB 纜線提供電源。（source：Texas Instruments）

 
圖7 : 安裝在 EVM 頂部的 3D 打印旋轉(zhuǎn)和推動模塊示意圖。（source：Texas Instruments）

使用 3D 霍爾傳感器
使用這些3D霍爾效應位置傳感器時，設計人員需要注意一些實作事項：

? TMAG5170內(nèi)結果緩存器的 SPI 讀取，或TMAG5273中的I2C讀取，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訊號或TMAG5273的 INT訊號可在轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)就緒時通知控制器。

? 低電感去耦電容必須靠近傳感器引腳放置。建議使用至少為 0.01 μF 的陶瓷電容。

? 這些霍爾效應傳感器可以嵌入由塑料或鋁等非鐵材料制成的外殼中，感應磁鐵位于外部。傳感器和磁鐵也可以放置在印刷電路板的相對兩側(cè)。

結論
隨著3D動作和控制的發(fā)展，設計人員需要實時獲得準確的量測結果，同時透過簡化設計將成本降至最低，同時還要最大程度地降低功耗。TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍爾效應傳感器能夠解決這些問題，提供快速采樣率和低延遲的靈活性，達到準確的實時控制，或低采樣率以最大程度地降低電池供電裝置的功耗。整合式增益和偏移校正算法確保高準確度，并結合磁體和傳感器的獨立溫度校正。

（本文作者Barley Li為Digi-Key Electronics亞太區(qū)技術內(nèi)容部門應用工程經(jīng)理）