如何達(dá)到3D位置感測(cè)的實(shí)時(shí)控制

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

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

盡管如此，使用霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)有效且安全的3D感測(cè)系統(tǒng)可能復(fù)雜且耗時(shí)?；魻栃?yīng)傳感器需要與足夠強(qiáng)大的微控制器（MCU）介接，以充當(dāng)角度計(jì)算引擎并執(zhí)行量測(cè)平均，以及增益和偏移補(bǔ)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(cè)磁場(chǎng)、系統(tǒng)溫度、通訊、連續(xù)性、內(nèi)部訊號(hào)路徑和電源。

除了硬件設(shè)計(jì)之外，軟件開(kāi)發(fā)也可能復(fù)雜且耗時(shí)，進(jìn)而延遲產(chǎn)品上市的時(shí)間。

為了因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以使用含內(nèi)部計(jì)算引擎的整合式霍爾效應(yīng) 3D位置傳感器 IC。這些 IC簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，并將系統(tǒng)處理器的負(fù)載降低多達(dá) 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(dá)到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)控制。針對(duì)電池供電的裝置，3D霍爾效應(yīng)位置傳感器可以在 5 Hz或更小的工作周期下運(yùn)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(shè)計(jì)靈活性以及系統(tǒng)安全性和可靠性。

本文回顧3D霍爾效應(yīng)位置傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)，并描述在機(jī)器人、篡改偵測(cè)、人機(jī)接口控制和萬(wàn)向節(jié)馬達(dá)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(yīng)位置傳感器的范例，以及相關(guān)的評(píng)估板和實(shí)作指南，以加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。

3D霍爾效應(yīng)傳感器
3D霍爾效應(yīng)傳感器可以搜集完整磁場(chǎng)的相關(guān)信息，進(jìn)而使用距離和角度量測(cè)來(lái)確定3D環(huán)境中的位置。這些傳感器最常見(jiàn)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(shí)，該場(chǎng)向傳感器提供單向輸入，可用于判定位置。無(wú)論傳感器的距離如何，共面放置都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平行于磁體面的場(chǎng)向量，還可以判定位置和角度。


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

工業(yè) 4.0 系統(tǒng)（如機(jī)器人）需要多軸動(dòng)作感測(cè)來(lái)量測(cè)機(jī)械臂的角度，或者在移動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)輪子上量測(cè)，以支持整個(gè)設(shè)施的導(dǎo)航和精確移動(dòng)。整合式 3D 霍爾效應(yīng)傳感器非常適合這些任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾灰资艹睗窕蚺K污的影響。共面量測(cè)提供旋轉(zhuǎn)軸的高精密度磁場(chǎng)量測(cè)（圖 2）。


 
圖2 : 整合式 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以量測(cè)機(jī)器人和其他工業(yè) 4.0 應(yīng)用的軸旋轉(zhuǎn)。（source：Texas Instruments）

電表、瓦斯表、自動(dòng)提款機(jī)（ATM）、企業(yè)服務(wù)器和電子銷售點(diǎn)設(shè)備等安全外殼可以使用軸上場(chǎng)量測(cè)來(lái)偵測(cè)入侵（圖 3）。當(dāng)外殼開(kāi)啟時(shí)，3D 霍爾效應(yīng)傳感器感應(yīng)到的磁通密度（B）會(huì)降低，直到低于霍爾開(kāi)關(guān)的磁通釋放點(diǎn)（BRP）規(guī)范，此時(shí)傳感器會(huì)發(fā)送警報(bào)。當(dāng)外殼關(guān)閉時(shí)，磁通密度必須相對(duì)于BRP 夠大，以防止誤報(bào)。由于磁體的磁通密度會(huì)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)境中使用的外殼的系統(tǒng)可靠性。


 
圖3 : 可以使用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行外殼篡改偵測(cè)，以識(shí)別未授權(quán)的存取。（source：Texas Instruments）

家電、測(cè)試和量測(cè)設(shè)備以及個(gè)人電子產(chǎn)品中的人機(jī)接口和控制，受益于所有三個(gè)動(dòng)作軸的使用。傳感器監(jiān)測(cè)X和Y平面上的動(dòng)作以識(shí)別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，并且透過(guò)監(jiān)測(cè)X和 Y磁軸的大位移來(lái)識(shí)別轉(zhuǎn)盤何時(shí)被推動(dòng)。監(jiān)控Z軸讓系統(tǒng)能夠識(shí)別錯(cuò)位，并就表盤可能需要預(yù)防性維護(hù)的磨損或損壞發(fā)送警報(bào)。

手持相機(jī)穩(wěn)定器和無(wú)人機(jī)中的萬(wàn)向節(jié)馬達(dá)系統(tǒng)，受益于具有可選磁場(chǎng)靈敏度范圍和其他可編程參數(shù)的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，為MCU提供角度量測(cè)（圖 4）。MCU依據(jù)需求，持續(xù)調(diào)整馬達(dá)位置以穩(wěn)定平臺(tái)。準(zhǔn)確、精確地量測(cè)軸上和離軸位置角度的傳感器提供機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性。



 
圖4 : 手持相機(jī)平臺(tái)和無(wú)人機(jī)中的萬(wàn)向節(jié)馬達(dá)受益于具有可選磁場(chǎng)靈敏度范圍的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器。（source：Texas Instruments）

平面外量測(cè)通常會(huì)導(dǎo)致不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度（增益）和不同軸的不同偏移，這可能會(huì)造成角度計(jì)算錯(cuò)誤。使用含增益和偏移校正的3D霍爾傳感器，在相對(duì)于磁體放置傳感器時(shí)支持靈活性，確保最準(zhǔn)確的角度計(jì)算。

靈活的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器
TI為設(shè)計(jì)人員提供一系列三軸線性霍爾效應(yīng)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(yīng)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(yīng)傳感器。

TMAG5170 組件經(jīng)過(guò)優(yōu)化以達(dá)到快速準(zhǔn)確的位置感測(cè)，包括±2.6%的線性測(cè)量總誤差 （25°C 時(shí)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(dòng)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(gè)主要功能塊（圖 5）：

? 電源管理和振蕩器模塊，包括欠壓和過(guò)壓偵測(cè)、偏置和振蕩器。

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

? 通訊控制電路、靜電放電（ESD）保護(hù)、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(qiáng)制和使用者啟用診斷檢查的診斷電路、其他內(nèi)務(wù)管理功能，以及一個(gè)整合式角度計(jì)算引擎，可為軸上和離軸角度量測(cè)提供 360° 角度位置信息。


 
圖5 : 除了TMAG5170型號(hào)上的SPI界面和TMAG5273型號(hào)上的I2C界面外，兩款 3D霍爾效應(yīng)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(hào)；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(jì)算。透過(guò)磁增益和偏移校正，將系統(tǒng)機(jī)械誤差源的影響降至最低。板載溫度補(bǔ)償功能可用于獨(dú)立補(bǔ)償磁體或傳感器的溫度變化。這些 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以透過(guò)通訊接口進(jìn)行配置，允許用戶控制的磁軸和溫度量測(cè)組合。MCU可以使用TMAG5170的ALERT引腳或TMAG5273的INT引腳來(lái)觸發(fā)新的傳感器轉(zhuǎn)換。

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


 
圖6 : TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一個(gè)具有兩個(gè)不同 3D 霍爾效應(yīng)傳感器 IC（右下）、一個(gè)傳感器控制板（左下）、3D 打印旋轉(zhuǎn)和推動(dòng)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(dòng)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(yīng)位置傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要注意一些實(shí)作事項(xiàng)：

? TMAG5170內(nèi)結(jié)果緩存器的 SPI 讀取，或TMAG5273中的I2C讀取，需要與轉(zhuǎn)換更新時(shí)間同步，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。TMAG5170的ALERT訊號(hào)或TMAG5273的 INT訊號(hào)可在轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)就緒時(shí)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(yīng)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(yīng)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(duì)兩側(cè)。

結(jié)論
隨著3D動(dòng)作和控制的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員需要實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的量測(cè)結(jié)果，同時(shí)透過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將成本降至最低，同時(shí)還要最大程度地降低功耗。TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍爾效應(yīng)傳感器能夠解決這些問(wèn)題，提供快速采樣率和低延遲的靈活性，達(dá)到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)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(zhǔn)確度，并結(jié)合磁體和傳感器的獨(dú)立溫度校正。

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