如何為即時控制達到快速、精確、低功率的位置感測

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

儘管如此，使用霍爾效應感測器設計有效且安全的 3D 感測系統可能複雜且耗時。霍爾效應感測器需要與足夠強大的微控制器 (MCU) 介接，以充當角度計算引擎並執行量測平均，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，包括監測磁場、系統溫度、通訊、連續性、內部訊號路徑和電源。

除了硬體設計之外，軟體開發也可複雜且耗時，進而延遲產品上市的時間。

為了因應這些挑戰，設計人員可以使用含內部計算引擎的整合式霍爾效應 3D 位置感測器 IC。這些 IC 簡化軟體設計，並將系統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。還可以提供快速採樣率和低延遲，達到準確的即時控制。針對電池供電的裝置，3D 霍爾效應位置感測器可以在 5 Hz 或更小的工作週期下運作，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安全性和可靠性。

本文回顧 3D 霍爾效應位置感測器的基礎知識，並描述在機器人、篡改偵測、人機界面控制和萬向節馬達系統中的用途。接著介紹 Texas Instruments 的高精密度線性 3D 霍爾效應位置感測器的範例，以及相關的評估板和實作指南，以加速開發過程。

什麼是 3D 霍爾效應感測器？

3D 霍爾效應感測器可以蒐集完整磁場的相關資訊，進而使用距離和角度量測來確定 3D 環境中的位置。這些感測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，該場向感測器提供單向輸入，可用於判定位置。無論感測器的距離如何，共面放置都會產生一個平行於磁體面的場向量，還可以判定位置和角度。

圖 1：3D 霍爾效應位置感測器可以與磁場同軸或共面放置，以測量距離和角動作。(圖片來源：Texas Instruments)

工業 4.0 系統 (如機器人) 需要多軸動作感測來測量機械臂的角度，或者在移動機器人的每個輪子上測量以支援整個設施的導航和精確移動。整合式 3D 霍爾效應感測器非常適合這些任務，因為它們不易受潮濕或髒污的影響。共面測量提供旋轉軸的高精密度磁場測量 (圖 2)。

圖 2：整合式 3D 霍爾效應感測器可以測量機器人和其他工業 4.0 應用的軸旋轉。(圖片來源：Texas Instruments)

電錶、瓦斯錶、自動提款機 (ATM)、企業伺服器和電子銷售點設備等安全外殼可以使用軸上場測量來偵測入侵 (圖 3)。當外殼開啟時，3D 霍爾效應感測器感應到的磁通密度 (B) 會降低，直到低於霍爾開關的磁通釋放點 (B_RP) 規範，此時感測器會發送警報。當外殼關閉時，磁通密度必須相對於 B_RP 夠大，以防止誤報。由於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 霍爾效應感測器可以提高工業或戶外環境中使用的外殼的系統可靠性。

圖 3：可以使用 3D 霍爾效應感測器進行外殼篡改偵測，以識別未授權的存取。(圖片來源：Texas Instruments)

家電、測試和量測設備以及個人電子產品中的人機界面和控制受益於所有三個動作軸的使用。感測器監測 X 和 Y 平面上的動作以識別轉盤的旋轉，並且透過監測 X 和 Y 磁軸的大位移來識別轉盤何時被推動。監控 Z 軸讓系統能夠識別錯位，並就錶盤可能需要預防性維護的磨損或損壞發送警報。

手持相機穩定器和無人機中的萬向節馬達系統受益於具有可選磁場靈敏度範圍和其他可編程參數的 3D 霍爾效應感測器，為 MCU 提供角度測量 (圖 4)。MCU 依據需求，持續調整馬達位置以穩定平台。準確、精確地測量軸上和離軸位置角度的感測器提供機械設計靈活性。

圖 4：手持相機平台和無人機中的萬向節馬達受益於具有可選磁場靈敏度範圍的 3D 霍爾效應感測器。(圖片來源：Texas Instruments)

平面外測量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 霍爾感測器，在相對於磁體放置感測器時支援靈活性，確保最準確的角度計算。

靈活的 3D 霍爾效應感測器

Texas instruments 為設計人員提供一系列三軸線性霍爾效應感測器，包括具有 10 MHz 序列周邊介面 (SPI) 和循環冗餘檢查 (CRC) 的 TMAG5170 系列高精密度 3D 線性霍爾效應感測器，以及 TMAG5273 系列具有 I²C 介面和 CRC 的低功率線性 3D 霍爾效應感測器。

TMAG5170 元件經過最佳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 的轉換率。TMAG7273 元件具有低功耗模式，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)：

• 電源管理和振盪器模塊，包括欠壓和過壓偵測、偏置和振盪器。
• 霍爾感測器以及多工器、雜訊濾波器、溫度感測、積體電路、類比數位轉換器 (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 都包含在介面模塊中。
• 數位核心包含用於強制和使用者啟用診斷檢查的診斷電路、其他內務管理功能，以及一個整合式角度計算引擎，可為軸上和離軸角度測量提供 360° 角度位置資訊。

圖 5：除了 TMAG5170 型號上的 SPI 介面 (如上所示) 和 TMAG5273 型號上的 I²C 介面外，兩款 3D 霍爾效應感測器 IC 系列的內部功能塊相同。(圖片來源：Texas Instruments)

TMAG5170 元件採用 8 引腳 VSSOP 封裝​​，尺寸為 3.00 x 3.00 mm，額定環境溫度範圍為 -40°C 至 +150°C。TMAG5170A1 包括 ±25 mT、±50 mT 和 ±100 mT 的靈敏度範圍，而 TMAG5170A2 支援 ±75 mT、±150 mT、±300 mT。

低功率 TMAG5273 系列採用 6 引腳 DBV 封裝，尺寸為 2.90 x 1.60 mm，額定環境溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。還提供兩種不同的型號；靈敏度範圍為 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支援 ±133 mT 和 ±266 mT 的 TMAG5273A2。

兩種使用者可選的磁軸用於角度計算。透過磁增益和偏移校正，將系統機械誤差源的影響降至最低。板載溫度補償功能可用於獨立補償磁體或感測器的溫度變化。這些 3D 霍爾效應感測器可以透過通訊介面進行配置，允許使用者控制的磁軸和溫度測量組合。MCU 可以使用 TMAG5170 的 ALERT 引腳或 TMAG5273 的 INT 引腳來觸發新的感測器轉換。

評估板協助入門

Texas Instruments 還提供兩款評估板，一款用於 TMAG5170 系列，另一款用於 TMAG5273 ​​系列，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。TMAG5273EVM 在卡扣式 PC 板上有 TMAG5273A1 和 TMAG5273A2 型號。包括一個感測器控制板，與圖形使用者界面 (GUI) 介接，以查看和儲存測量值，以及讀取和寫入暫存器。3D 列印的旋轉和推動模組用於測試角度測量的常用功能。

圖 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一個具有兩個不同 3D 霍爾效應感測器 IC (右下)、一個感測器控制板 (左下)、3D 列印旋轉和推動模組 (中) 和一條 USB 纜線提供電源。(圖片來源：Texas Instruments)

圖 7：安裝在 EVM 頂部的 3D 列印旋轉和推動模組示意圖。(圖片來源：Texas Instruments)

使用 3D 霍爾感測器

使用這些 3D 霍爾效應位置感測器時，設計人員需要注意一些實作事項：

• TMAG5170 內結果暫存器的 SPI 讀取，或 TMAG5273 中的 I²C 讀取，需要與轉換更新時間同步，以確保讀取正確的數據。TMAG5170 的 ALERT 訊號或 TMAG5273 的 INT 訊號可在轉換完成且數據就緒時通知控制器。
• 低電感去耦電容必須靠近感測器引腳放置。建議使用至少為 0.01 μF 的陶瓷電容。
• 這些霍爾效應感測器可以嵌入由塑料或鋁等非鐵材料製成的外殼中，感應磁鐵位於外部。感測器和磁鐵也可以放置在印刷電路板的相對兩側。

結論

隨著 3D 動作和控制的發展，設計人員需要即時獲得準確的測量結果，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。如圖所示，TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍爾效應感測器解決了這些問題，提供快速採樣率和低延遲的靈活性，達到準確的即時控制，或低採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，並結合磁體和感測器的獨立溫度校正。

推薦閱讀

1. 接近感測器的基礎知識：選擇與工業自動化用途
2. 用序列周邊介面簡化多個元件連接作業的原因及方法