Hvordan man opnår hurtig, præcis og energibesparende positionsregistrering til realtidsstyring

Brugen af tredimensional (3D) positionsaflæsning til realtidskontrol er stigende på tværs af en række industri 4.0-applikationer, lige fra industrirobotter og automatiserede systemer til robotstøvsugere og sikkerhed. 3D Hall-effekt positionssensorer er en god mulighed for disse applikationer, da de giver høj repeterbarhed og pålidelighed og også kan bruges sammen med vinduer, døre og kabinetter til registrering af indbrud eller magnetisk manipulation.

Alligevel kan det være en kompleks og tidskrævende proces at designe et effektivt og sikkert 3D-følesystem ved hjælp af en Hall-effekt-sensor. Hall-effekt-sensoren skal have en grænseflade til en mikrocontroller (MCU), der er kraftig nok til at fungere som en vinkelberegningsmotor og til at foretage målemiddelværdiberegning samt forstærkning og offset-kompensation for at bestemme magnetorienteringer og 3D-positioner. MCU'en skal også håndtere en række diagnoser, herunder overvågning af magnetfeltet, systemtemperatur, kommunikation, kontinuitet, intern signalvej og strømforsyning.

Ud over hardwaredesign kan softwareudvikling være kompleks og tidskrævende, hvilket yderligere forsinker markedsføringstiden.

For at løse disse udfordringer kan designere bruge integrerede 3D-positionssensor-IC'er med Hall-effekt med en intern beregningsmotor. Disse IC'er forenkler softwaredesignet og reducerer systemprocessorens belastning med op til 25 %, hvilket gør det muligt at bruge en billig, universal MCU. De kan også levere hurtige samplefrekvenser og lav latenstid til præcis realtidsstyring. I batteridrevne enheder kan 3D Hall-effektpositionssensorer drives med en arbejdscyklus på 5 Hertz (Hz) eller mindre for at minimere strømforbruget. Desuden maksimerer integrerede funktioner og diagnostik fleksibiliteten i designet og maksimerer systemets sikkerhed og pålidelighed.

I denne artikel gennemgås de grundlæggende principper for 3D Hall-effekt positionssensorer og beskrives deres anvendelse i robotteknologi, manipulationsdetektion, kontrol af menneskelige grænseflader og gimbalmotorsystemer. Derefter præsenteres eksempler på højpræcise, lineære 3D Hall-effekt positionssensorer med høj præcision fra Texas Instruments, sammen med tilhørende evalueringskort og implementeringsvejledning for at fremskynde udviklingsprocessen.

Hvad er 3D Hall-effekt-sensorer?

3D Hall-effekt-sensorer kan indsamle oplysninger om det komplette magnetfelt, hvilket gør det muligt at bruge afstands- og vinkelmålinger til positionsbestemmelse i 3D-miljøer. De to mest almindelige placeringer for disse sensorer er på akse og koplanar med den magnetiske polarisering (figur 1). Når feltet er placeret på polarisationsaksen, giver det et ensrettet input til sensoren, som kan bruges til positionsbestemmelse. Koplanar placering giver en feltvektor, der er parallel med magnetfladen uanset afstanden til sensoren, hvilket også muliggør positions- og vinkelbestemmelse.

Figur 1: 3D Hall-effekt positionssensorer kan placeres i akse eller i samme plan som magnetfeltet for at måle afstand og vinkelbevægelse. (Billedkilde: Texas Instruments)

Industri 4.0-systemer som robotter har brug for bevægelsesaflæsning med flere akser til at måle vinklen på robotarme eller på hvert hjul på mobile robotter for at understøtte navigation og præcis bevægelse i hele anlægget. Integrerede 3D-Hall-effekt-sensorer er velegnede til disse opgaver, da de ikke er følsomme over for fugt eller snavs. Koplanære målinger giver meget nøjagtige magnetfeltmålinger af roterende aksler (figur 2).

Figur 2: Integrerede 3D-Hall-effekt-sensorer kan måle rotation af akslen i robotter og andre industri 4.0-applikationer. (Billedkilde: Texas Instruments)

Sikre kabinetter som f.eks. el- og gasmålere, pengeautomater, virksomhedsservere og elektronisk salgsudstyr kan bruge feltmålinger i aksen til at opdage indbrud (figur 3). Når kassen åbnes, falder den fluxdensitet (B), der registreres af 3D-Hall-effekt-sensoren, indtil den falder under Hall-kontaktens specifikation for fluxfrigivelsespunktet (_BRP), hvorefter sensoren sender en advarsel. Når sagen er lukket, skal den magnetiske fluxtæthed være stor nok i forhold til_BRP 'en til at forhindre falske alarmer. Da en magnetfluxtæthed har tendens til at falde, når temperaturen stiger, kan brugen af en 3D Hall-effekt sensor med mulighed for temperaturkompensation forbedre systemets pålidelighed for kabinetter, der anvendes i industrielle eller udendørs miljøer.

Figur 3: Registrering af manipulation af kabinettet kan implementeres med 3D Hall-effekt-sensorer for at identificere uautoriseret adgang. (Billedkilde: Texas Instruments)

Menneskelige grænseflader og kontroller i husholdningsapparater, test- og måleudstyr og personlig elektronik kan drage fordel af brugen af alle tre bevægelsesakser. En sensor kan overvåge bevægelser i X- og Y-planet for at identificere rotation af en drejeskive og kan identificere, hvornår drejeskiven er trykket ved at overvåge et stort skift i X- og Y-magnetiske akser. Overvågning af Z-aksen gør det muligt for systemet at identificere fejljusteringer og sende advarsler om slitage eller skader, der kan betyde, at drejeskiven har brug for forebyggende vedligeholdelse.

Gimbal-motorsystemer i håndholdte kamerastabilisatorer og droner har fordel af brugen af 3D Hall-effekt-sensorer med valgbare magnetfeltfølsomhedsområder og andre programmerbare parametre til at levere vinkelmålinger til en MCU (figur 4). MCU'en justerer løbende motorens position efter behov for at stabilisere platformen. En sensor, der kan måle vinkler præcist og nøjagtigt i positioner på og uden for aksen, giver fleksibilitet i mekanisk design.

Figur 4: Gimbalmotorer i håndholdte kameraplatforme og droner drager fordel af 3D Hall-effekt-sensorer med valgbare magnetfeltfølsomhedsområder. (Billedkilde: Texas Instruments)

Målinger uden for planen medfører ofte forskellige magnetfeltstyrker (gains) og forskellige forskydninger i forskellige akser, hvilket kan medføre fejl i vinkelberegningen. Brugen af en 3D Hall-sensor med forstærkning og offset-korrektioner giver fleksibilitet ved placering af sensoren i forhold til magneten og sikrer de mest nøjagtige vinkelberegninger.

Fleksible 3D-hall-effekt-sensorer

Texas Instruments tilbyder designere et udvalg af tre-aksede lineære Hall-effekt-sensorer, herunder TMAG5170-familien af højpræcisions-3D lineære Hall-effekt-sensorer med en 10 megahertz (MHz) seriel perifer grænseflade (SPI) og cyklisk redundanskontrol (CRC), og TMAG5273-familien af lineære 3D Hall-effekt-sensorer med lavt strømforbrug med en I²C-grænseflade og CRC.

TMAG5170-enhederne er optimeret til hurtig og præcis positionsaflæsning og omfatter: lineær måling med en samlet fejl på ±2,6 % (maksimum ved 25 °C); følsomhedstemperaturdrift på ±2,8 % (maksimum) og 20 kilosamples pr. sekund (Ksps) konverteringshastighed for en enkelt akse. TMAG7273-enhederne har lav strømtilstande, herunder: 2,3 milliampere (mA) strøm i aktiv tilstand, 1 mikroampere (µA) strøm i opvågnings- og dvaletilstand og 5 nanoampere (nA) strøm i dvaletilstand. Disse IC'er omfatter fire primære funktionsblokke (figur 5):

• Power Management & Oscillator-blokken omfatter under- og overspændingsdetektion, biasing og oscillatorer.
• Hall-sensorer og tilhørende forspænding med multiplexere, støjfiltre, temperaturmåling, integratorkredsløb og en analog-til-digital-konverter (ADC) udgør blokken til måling af sensorer og temperaturmåling.
• Kommunikationsstyringskredsløbet, ESD-beskyttelse (elektrostatisk udladning), input/output-funktioner (I/O) og CRC er inkluderet i grænsefladeblokken.
• Den digitale kerne indeholder diagnostiske kredsløb til obligatoriske og brugeraktiverede diagnostiske kontroller, andre husholdningsfunktioner og en integreret vinkelberegningsmotor, der giver 360° vinkelpositionsinformation for både vinkelmålinger i og uden for aksen.

Figur 5: Bortset fra en SPI-grænseflade (vist ovenfor) på TMAG5170-modellerne og en I²C-grænseflade på TMAG5273-modellerne er de interne funktionsblokke de samme for begge familier af 3D Hall-effekt-sensor-IC'er. (Billedkilde: Texas Instruments)

TMAG5170-enhederne leveres i en 8-polet VSSOP-pakning med dimensionerne 3,00 x 3,00 mm og er specificeret til et temperaturområde fra -40 °C til +150 °C. TMAG5170A1 omfatter følsomhedsområder på ±25 millitesla (mT), ±50 mT og ±100 mT, mens TMAG5170A2 understøtter ±75 mT, ±150 mT og ±300 mT.

Den strømbesparende TMAG5273-familie anvender 6 pin DBV-pakker, der måler 2,90 x 1,60 mm, og er specificeret til et temperaturområde fra -40 °C til +125 °C. Den tilbydes også i to forskellige modeller; TMAG5273A1 med følsomhedsområder på ±40 mT og ±80 mT og TMAG5273A2, der understøtter ±133 mT og ±266 mT.

Der anvendes to brugervalgte magnetiske akser til vinkelberegninger. Indvirkningen af systemets mekaniske fejlkilder minimeres ved hjælp af magnetisk forstærkning og offset-korrektioner. Den indbyggede temperaturkompensationsfunktion kan bruges til uafhængigt at kompensere for temperaturændringer i magneten eller sensoren. Disse 3D Hall-effekt-sensorer kan konfigureres via kommunikationsgrænsefladen for at muliggøre brugerstyrede kombinationer af magnetiske akser og temperaturmålinger. ALERT-pinden på TMAG5170 eller INT-pinden på TMAG5273 kan bruges af en MCU til at udløse en ny sensorkonvertering.

Eval boards hjælper dig med at komme i gang

Texas Instruments tilbyder også to evalkort, et til TMAG5170-serien og et til TMAG5273-serien, som giver mulighed for grundlæggende funktionsevalueringer (figur 6). TMAG5170EVM indeholder både TMAG5170A1- og TMAG5170A2-modellerne på et printkort, der kan skilles ad med et snuptag. TMAG5273EVM har TMAG5273A1- og TMAG5273A2-modellerne på et printkort med snap-apart-elementer. De omfatter et sensorstyringskort, der har grænseflade til den grafiske brugergrænseflade (GUI) for at se og gemme målinger og læse og skrive registre. Det 3D-printede rotate & push-modul bruges til at teste almindelige funktioner til vinkelmåling.

Figur 6: TMAG5170EVM og TMAG5273EVM omfatter begge et snap-apart board med to forskellige 3D Hall-effekt-sensor-IC'er (nederst til højre), et sensorstyringskort (nederst til venstre), et 3D-printet dreje- og skubmodul (i midten) og et USB-kabel til strømforsyning. (Billedkilde: Texas Instruments)

Figur 7: Illustration af det 3D-printede dreje- og skubmodul monteret på toppen af EVM'en. (Billedkilde: Texas Instruments)

Brug af 3D Hall-sensorerne

Der er nogle få implementeringsovervejelser, som designere skal være opmærksomme på, når de bruger disse 3D Hall-effektpositionssensorer:

• SPI-udlæsningen af resultatregistret i TMAG5170 eller I²C-udlæsningen i TMAG5273 skal synkroniseres med konverteringsopdateringstiden for at sikre, at de korrekte data læses. ALERT-signalet på TMAG5170 eller INT-signalet på TMAG5273 kan bruges til at underrette controlleren, når en konvertering er afsluttet, og dataene er klar.
• Der skal placeres en afkoblingskondensator med lav induktivitet tæt på sensorpinden. Det anbefales at bruge en keramisk kondensator med en værdi på mindst 0,01 mikrofarads (μF).
• Disse Hall-effekt-sensorer kan være indlejret i kabinetter af ikke-jernholdige materialer som f.eks. plast eller aluminium med sensormagneterne udenpå. Sensorer og magneter kan også placeres på modsatte sider af et printkort.

Konklusion

Med væksten inden for 3D-bevægelse og -styring har designere brug for at få præcise målinger i realtid, samtidig med at omkostningerne holdes på et minimum gennem forenklet design, samtidig med at strømforbruget minimeres. Som det fremgår, løser TMAG5170- og TMAG5273-sensorerne med integreret 3D-Hall-effekt disse problemer og tilbyder fleksibilitet i form af hurtige samlerater og lav latenstid til præcis realtidskontrol eller langsomme samlerater for at minimere strømforbruget i batteridrevne enheder. Den høje nøjagtighed sikres med de integrerede algoritmer til korrektion af forstærkning og offset, kombineret med uafhængig temperaturkorrektion for magneten og sensoren.

Anbefalet læsning

1. Grundlæggende principper for nærhedssensorer: valg og anvendelse i industriel automatisering
2. Hvorfor og hvordan du bruger den serielle perifere grænseflade til at forenkle forbindelserne mellem flere enheder