如何实现用于实时控制的快速、精确和低功耗位置检测

从工业机器人和自动化系统到机器人吸尘器和安全，三维（3D）位置传感在各种工业4.0应用中的实时控制应用越来越多。3D霍尔效应位置传感器是这些应用的良好选择，因为它们具有高重复性和可靠性，还可以与窗户、门和外壳一起用于入侵或磁性篡改检测。

不过，使用霍尔效应传感器设计有效且安全的3D传感系统可能是一个复杂且耗时的过程。霍尔效应传感器需要与功能足够强大的微控制器（MCU）接口，以充当角度计算引擎并执行测量平均以及增益和偏移补偿，从而确定磁体方向和3D位置。MCU还需要处理各种诊断，包括监控磁场、系统温度、通信、连续性、内部信号路径和电源。

除了硬件设计之外，软件开发可能会非常复杂和耗时，从而进一步推迟上市时间。

为了应对这些挑战，设计人员可以使用集成霍尔效应3D位置传感器IC和内部计算引擎。这些IC简化了软件设计，并将系统处理器的负载降低了25%，支持使用低成本通用MCU。它们还可以提供快速采样速率和低延迟，以实现精确的实时控制。在电池供电的设备中，3D霍尔效应位置传感器可以在5赫兹（Hz）或更低的占空比下工作，以最大限度地降低功耗。此外，集成的功能和诊断最大限度地提高了设计灵活性以及系统的安全性和可靠性。

本文回顾了3D霍尔效应位置传感器的基本原理，并介绍了它们在机器人、篡改检测、人机界面控制和万向节电机系统中的应用。然后，它展示了来自的高精度、线性3D霍尔效应位置传感器示例德州仪器，以及相关的评估板和实施指南来加快开发过程。

什么是3D霍尔效应传感器？

3D霍尔效应传感器可以收集关于整个磁场的信息，从而能够在3D环境中使用距离和角度测量来确定位置。这些传感器最常见的两种放置方式是同轴和与磁极化共面（图1）。当放置在偏振轴上时，该场向传感器提供单向输入，可用于位置确定。共面放置产生一个平行于磁体表面的磁场矢量，与传感器的距离无关，还可以确定位置和角度。

图1: 3D霍尔效应位置传感器可以与磁场同轴或共面放置，以测量距离和角运动。（图片来源:德州仪器）

机器人等工业4.0系统需要多轴运动传感来测量机械臂的角度，或者在移动机器人的每个车轮处支持导航和在整个设施中的精确移动。集成的3D霍尔效应传感器非常适合这些任务，因为它们不易受湿气或灰尘的影响。共面测量提供旋转轴的高精度磁场测量（图2）。

 

图2:集成3D霍尔效应传感器可以测量机器人和其他工业4.0应用中的轴旋转。（图片来源:德州仪器）

电表和煤气表、自动柜员机（ATM）、企业服务器和电子销售点设备等安全外壳可以使用轴上现场测量来检测入侵（图3）。当外壳打开时，由3D霍尔效应传感器感测到的磁通密度（B）降低，直到其降到磁通释放点（B）以下菲律宾共和国）霍尔开关的规格，此时传感器发出警报。当外壳闭合时，磁通量密度相对于B必须足够大菲律宾共和国以防止错误警报。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霍尔效应传感器可以提高工业或室外环境中使用的外壳的系统可靠性。

图3:可以使用3D霍尔效应传感器实施盘柜篡改检测，以识别未经授权的访问。（图片来源:德州仪器）

家用电器、测试和测量设备以及个人电子产品中的人机界面和控制都可以受益于所有三个运动轴的使用。传感器可以监测X和Y平面上的运动以识别转盘的旋转，并且可以通过监测X和Y磁轴上的大位移来识别转盘何时被推动。监控Z轴使系统能够识别错位并发送磨损或损坏警报，表盘可能需要预防性维护。

手持摄像机稳定器和无人机中的万向节电机系统受益于使用具有可选磁场灵敏度范围和其他可编程参数的3D霍尔效应传感器，从而为MCU提供角度测量（图4）。MCU根据需要不断调整电机位置以稳定平台。能够精确测量轴上和轴外位置角度的传感器提供了机械设计灵活性.

 

图4:手持相机平台和无人机中的万向节电机受益于具有可选磁场灵敏度范围的3D霍尔效应传感器。（图片来源:德州仪器）

平面外测量通常会导致不同轴上的不同磁场强度（增益）和不同偏移量，这会导致角度计算误差。当相对于磁体放置传感器时，使用具有增益和偏移校正的3D霍尔传感器支持灵活性，从而确保最精确的角度计算。

柔性3D霍尔效应传感器

德州仪器为设计人员提供一系列三轴线性霍尔效应传感器，包括TMAG5170系列高精度3D线性霍尔效应传感器，具有10兆赫（MHz）串行外设接口（SPI）和循环冗余校验（CRC）；TMAG5273系列低功耗线性3D霍尔效应传感器，带I C接口和CRC。

TMAG5170器件针对快速、精确的位置检测进行了优化，包括:线性测量总误差为2.6%（25°C时最大）；灵敏度温度漂移为2.8%（最大值），以及；单轴转换速率为每秒20千样本（Ksps）。TMAG7273器件具有低功耗模式，包括:2.3毫安（mA）主动模式电流；1微安（A）唤醒和睡眠模式电流，以及；5纳安（nA）睡眠模式电流。这些IC包括四个主要功能模块（图5）:

电源管理和振荡器模块包括欠压和过压检测、偏置和振荡器。

霍尔传感器及相关偏置、多路复用器、噪声滤波器、温度检测、积分器电路和模数转换器(ADC)构成了检测和温度测量模块。

接口模块包括通信控制电路、静电放电(ESD)保护、输入/输出(I/O)功能和CRC。

数字内核包含用于强制和用户使能诊断检查的诊断电路、其它内务处理功能，以及一个集成的角度计算引擎，可提供360°角位置信息，用于轴上和离轴角度测量。

图5:除了TMAG5170型号的SPI接口(如上所示)和TMAG5273型号的I C接口之外，这两个系列的3D霍尔效应传感器IC的内部功能模块是相同的。(图片来源:德州仪器)

TMAG5170采用8引脚VSSOP封装，尺寸为3.00 x 3.00毫米(mm)，额定环境温度范围为–40°C至+150°C。TMAG5170A1包括25毫特斯拉(mT)、50 mT和100 mT的灵敏度范围，而TMAG5170A2支持75公吨、150公吨和300公吨。

低功耗TMAG5273系列采用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，同时提供两种不同型号:这TMAG5273A1灵敏度范围为40 mT和80 mT，而TMAG5273A2支持133公吨和266公吨。

两个用户选择的磁轴用于角度计算。通过磁增益和偏移校正，系统机械误差源的影响被最小化。板载温度补偿功能可用于独立补偿磁体或传感器的温度变化。这些3D霍尔效应传感器可以通过通信接口进行配置，以实现用户控制的磁轴和温度测量组合。MCU可以利用TMAG5170的ALERT引脚或TMAG5273的INT引脚来触发新的传感器转换。

评估板有助于入门

德州仪器还提供两个评估板，一个用于TMAG5170系列和一个TMAG5273系列，允许基本的功能评估(图6)。TMAG5170EVM将TMAG5170A1和TMAG5170A2两种型号集成在一个分离式pc板上。TMAG5273EVM将TMAG5273A1和TMAG5273A2型号集成在一个可快速拆卸的pc板上。它们包括一个传感器控制板，与图形用户界面(GUI)接口，以查看和保存测量结果，并读写寄存器。3D打印的旋转和推动模块用于测试角度测量的常见功能。

图TMAG5170EVM和TMAG5273EVM都包括一个带两个不同3D霍尔效应传感器IC(右下)的快速分离板、一个传感器控制板(左下)、3D打印旋转和推动模块(中间)以及一条USB电缆来供电。(图片来源:德州仪器)

图7:安装在EVM顶部的3D打印旋转和推动模块的图示。(图片来源:德州仪器)

使用3D霍尔传感器

使用这些3D霍尔效应位置传感器时，设计人员需要注意一些实施注意事项:

TMAG5170中结果寄存器的SPI读数或TMAG5273中的I C读数需要与转换更新时间同步，以确保读取正确的数据。当转换完成且数据就绪时，TMAG5170上的ALERT信号或TMAG5273上的INT信号可以用来通知控制器。

低电感去耦电容必须靠近传感器引脚放置。建议使用至少0.01微法(μF)的陶瓷电容。

这些霍尔效应传感器可以嵌入由塑料或铝等非铁材料制成的外壳内，感应磁体位于外壳外部。传感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运动和控制的发展，设计人员需要实时获得精确的测量结果，同时通过简化设计将成本降至最低，同时将功耗降至最低。如图所示，TMAG5170和TMAG5273集成式3D霍尔效应传感器可以解决这些问题，提供快速采样速率和低延迟的灵活性，以实现精确的实时控制；或者提供慢速采样速率，以最大限度地降低电池供电设备的功耗。集成的增益和失调校正算法确保了高精度，并结合了磁体和传感器的独立温度校正。


审核编辑 黄宇