Hur man uppnår snabb, exakt och strömsnål positionsavkänning för styrning i realtid?

Användningen av tredimensionell (3D) positionsavkänning för styrning i realtid ökar i en mängd olika tillämpningar inom Industry 4.0, allt från industrirobotar och automatiserade system till robotdammsugare och säkerhet. 3D Halleffektsensor är ett bra alternativ i dessa tillämpningar eftersom de ger hög repeterbarhet och tillförlitlighet, och de även kan användas på fönster, dörrar och kapslingar för att upptäcka intrång eller magnetisk detektering av sabotage.

Att utforma ett effektivt och säkert system för 3D-avkänning baserat på en Halleffektsensor kan dock vara en komplicerad och tidskrävande process. Halleffektsensorn behöver ett gränssnitt mot en mikrokontroller (MCU) som är tillräckligt kraftfull för att agera som vinkelberäkningsmotor och utföra genomsnittsmätningar, samt kompensation för förstärkning och förskjutning för att avgöra magnetriktningar och 3D-positioner. Mikrokontrollern behöver även kunna hantera en mängd diagnostik inklusive övervakning av magnetfältet, systemets temperatur, kommunikation, kontinuitet, intern signalväg och strömförsörjningen.

Förutom hårdvarukonstruktion kan mjukvaruutveckling vara komplicerad och tidskrävande, vilket ytterligare försenar marknadsintroduktionen.

För att hantera dessa utmaningar kan konstruktörer använda inbyggda integrerade kretsar med 3D Halleffektsensorer med en intern beräkningsmotor. Dessa integrerade kretsar förenklar programvarudesignen och minskar systemprocessorns belastning med så mycket som 25 %, vilket gör det möjligt att använda en billig MCU för allmänna ändamål. De har även snabba samplingshastigheter och låg latens för exakt styrning i realtid. I batteridrivna enheter kan 3D Halleffektsensor användas med arbetscykler på 5 Hz eller mindre för att minimera strömförbrukningen. Dessutom maximerar integrerade funktioner och diagnostik flexibiliteten i konstruktionen samt systemets säkerhet och tillförlitlighet.

Artikeln går igenom grunderna för 3D Halleffektsensorer och beskriver hur de används inom robotteknik, sabotagedetektering, styrning av mänskliga gränssnitt och gyromotorsystem. Därefter presenteras exempel på linjära 3D Halleffektpositionssensorer med hög precision från Texas Instruments, tillsammans med tillhörande utvärderingskort och implementeringsvägledning för att påskynda utvecklingsprocessen.

Vad är 3D Halleffektsensorer?

3D Halleffektsensorer kan samla in information om hela magnetfältet, vilket gör det möjligt att använda avstånds- och vinkelmätningar för positionsbestämning i 3D-miljöer. De två vanligaste placeringarna för dessa sensorer är på en axel och i samma plan som den magnetiska polarisationen (figur 1). När fältet placeras på polarisationsaxeln ger det en enkelriktad ingång till givaren som kan användas för positionsbestämning. Placering i samma plan ger en fältvektor som är parallell med magnetens yta oavsett avstånd till givaren, vilket också möjliggör positions- och vinkelbestämning.

Figur 1: 3D Halleffektsensor som kan placeras på axeln eller i samma plan som magnetfältet för att mäta avstånd och vinkelrörelse. (Bildkälla: Texas Instruments)

Industry 4.0-system, som t.ex. robotar, behöver rörelsesensorer med flera axlar för att mäta robotarmarnas vinkel eller vid varje hjul på mobila robotar för att stödja navigering och exakt förflyttning i en anläggning. Inbyggda 3D Halleffektsensorer är väl lämpade för dessa uppgifter eftersom de inte är känsliga för fukt eller smuts. Mätningar i samma plan ger mycket noggranna mätningar av magnetfältet för roterande axlar (figur 2).

Figur 2: Inbyggda 3D Halleffektsensorer kan mäta axelns rotation i robotar och andra Industry 4.0-tillämpningar. (Bildkälla: Texas Instruments)

Säkra kapslingar som el- och gasmätare, bankomater, företagsservrar och elektronisk försäljningsutrustning kan använda fältmätningar i axeln för att upptäcka intrång (figur 3). När lådan öppnas minskar flödestätheten (B) som registreras av 3D Halleffektsensorn tills den sjunker under Halleffektomkopplarens specifikation för flödesfrigöringspunkten (_BRP), och då skickar givaren ut ett varningsmeddelande. När lådan är stängd måste den magnetiska flödestätheten vara tillräckligt stor i förhållande till_BRP för att undvika falska larm. Eftersom en magnets flödestäthet tenderar att minska när temperaturen ökar, kan användningen av en 3D Halleffektsensor med temperaturkompensation förbättra systemets tillförlitlighet för kapslingar som används i industriella miljöer eller utomhusmiljöer.

Figur 3: Detektering av sabotage i kapslingar kan implementeras med 3D Halleffektsensorer för att identifiera obehörig åtkomst. (Bildkälla: Texas Instruments)

Mänskliga gränssnitt och kontroller i hushållsapparater, test- och mätutrustning och personlig elektronik kan dra nytta av användningen av alla de tre rörelseaxlarna. En givare kan övervaka rörelsen i X- och Y-planet för att identifiera en ratts vridning, och kan identifiera när ratten trycks in genom att övervaka en stor förändring i de magnetiska X- och Y-axlarna. Genom att övervaka Z-axeln kan systemet identifiera feljusteringar och skicka varningar om slitage eller skador som visar att ratten kan behöva förebyggande underhåll.

Gyromotorsystem i handhållna kamerastabilisatorer och drönare drar nytta av 3D Halleffektsensorer med valbara känslighetsområden för magnetfältet och andra programmerbara parametrar för att tillhandahålla vinkelmätningar till en MCU (figur 4). MCU:n justerar kontinuerligt motorns position efter behov för att stabilisera plattformen. En sensor som kan mäta vinklar på och utanför axeln på ett korrekt och exakt sätt ger flexibilitet i den mekaniska konstruktionen.

Figur 4: Gyromotorer i handhållna kameraplattformar och drönare drar nytta av 3D Halleffektsensorer med valbara känslighetsområden för magnetfältet. (Bildkälla: Texas Instruments)

Mätningar utanför planet orsakar ofta olika magnetfältsstyrkor (förstärkningar) och olika förskjutningar i olika axlar, vilket kan orsaka fel i vinkelberäkningen. Användningen av en 3D Halleffektsensor med förstärknings- och förskjutningskorrigeringar gör det möjligt att placera givaren i förhållande till magneten på ett flexibelt sätt, vilket garanterar de mest exakta vinkelberäkningarna.

Flexibla 3D Halleffektsensorer

Texas Instruments erbjuder konstruktörer ett urval av linjära Halleffektsensorer med tre axlar, inklusive familjen TMAG5170 med linjära Halleffektsensorer med hög precision och seriellt gränssnitt för kringutrustning (SPI) på 10 MHz samt cyklisk redundanskontroll (CRC), och familjen TMAG5273 med strömsnåla linjära 3D Halleffektsensorer med ett I²C-gränssnitt och CRC.

TMAG5170-enheterna är optimerade för snabb och noggrann positionsavkänning och har följande egenskaper: totalt fel vid linjär mätning på ±2,6 % (högst 25 °C), temperaturavvikelse på ±2,8 % (högst) och en omvandlingshastighet på 20 Ksps för en enda axel. TMAG7273-enheterna har strömsnåla lägen, inklusive: ström i aktivt läge är 2,3 mA, ström i uppvaknings- och viloläge är 1 µA och strömmen i viloläge är 5 nA. Dessa integrerade kretsar innehåller fyra primära funktionsblock (figur 5):

• Blocket strömhantering och oscillator innehåller underspännings- och överspänningsdetektering, förspänning och oscillatorer.
• Halleffektsensorer och tillhörande förspänning med multiplexrar, brusfilter, temperaturmätning, integrationskrets och en analog-till-digitalomvandlare (ADC) utgör blocket för sensor- och temperaturmätning.
• Styrkretsen för kommunikation, ESD-skydd (elektrostatisk urladdning), I/O-funktioner (input/output) och CRC ingår i gränssnittsblocket.
• Den digitala kärnan innehåller diagnostiska kretsar för obligatoriska och användaraktiverade diagnostiska kontroller, andra uppstädningsfunktioner och en inbyggd vinkelberäkningsmotor som ger information om 360° vinkelposition för både vinkelmätningar i och utanför axeln.

Figur 5: Med undantag för ett SPI-gränssnitt (visas ovan) på TMAG5170-modellerna och ett I²C-gränssnitt på TMAG5273-modellerna är de interna funktionella blocken desamma för båda familjerna av integrerade kretsar för 3D Halleffektsensorer. (Bildkälla: Texas Instruments)

TMAG5170-enheterna levereras i en VSSOP-kapsling med 8 stift med måtten 3 x 3 mm och är specificerade för ett omgivningstemperaturområde på -40 °C till +150 °C. TMAG5170A1 har känslighetsområden på ±25 mT, ±50 mT och ±100 mT, medan TMAG5170A2 har stöd för ±75 mT, ±150 mT och ±300 mT.

De strömsnåla TMAG5170-enheterna levereras i en DBV-kapsling med 6 stift och måtten 3 x 3 mm, och är specificerade för ett omgivningstemperaturområde på -40 °C till +125 °C. Den finns även i två olika modeller; TMAG5273A1 med känslighetsområden på ±40 mT och ±80 mT, och TMAG5273A2 som stöder ±133 mT och ±266 mT.

Två användarvalda magnetiska axlar används för vinkelberäkningar. Påverkan på systemets mekaniska felkällor minimeras genom magnetiska förstärknings- och offsetkorrigeringar. Den inbyggda funktionen för temperaturkompensation kan användas för att oberoende kompensera för temperaturförändringar i magneten eller sensorn. Dessa 3D Halleffektsensorer kan konfigureras via kommunikationsgränssnittet för att möjliggöra användarstyrda kombinationer av magnetiska axlar och temperaturmätningar. Stiftet ALERT-på TMAG5170 eller stiftet INT på TMAG5273 kan användas av en MCU för att utlösa en ny givarkonvertering.

Utvärderingskort gör det lättare att komma igång

Texas Instruments erbjuder också två utvärderingskort, ett för serien TMAG5170 och ett för serien TMAG5273, för att möjliggöra grundläggande funktionsutvärderingar (figur 6). TMAG5170EVM innehåller både modellerna TMAG5170A1 och TMAG5170A2 på ett kretskort som går att bryta isär. TMAG5273EVM innehåller modellerna TMAG5273A1 och TMAG5273A2 på ett kretskort som går att bryta isär. De innehåller ett styrkort för sensorn som är ett gränssnitt mot det grafiska användargränssnittet (GUI) för att visa och spara mätningar samt läsa och skriva register. Den 3D-utskrivna vrid- och tryckmodulen används för att testa vanliga funktioner för vinkelmätning.

Figur 6: TMAG5170EVM och TMAG5273EVM inkluderar både ett kretskort som går att bryta isär med två olika integrerade kretsar med 3D Halleffektsensorer (nere till höger), ett styrkort för givaren (nere till vänster), en 3D-utskriven vrid- och tryckmodul (i mitten) och en USB-kabel för strömförsörjning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Figur 7: Bild på den 3D-utskrivna vrid- och tryckmodulen som monterats ovanpå EVM. (Bildkälla: Texas Instruments)

Användning av 3D Halleffektsensorer

Det finns ett par saker som konstruktörer måste vara medvetna om när de använder dessa 3D Halleffektpositionssensorer:

• SPI-avläsningen av resultatregistret i TMAG5170 eller I²C-avläsningen i TMAG5273 måste synkroniseras med konverteringens uppdateringstid för att säkerställa att rätt data läses. Signalen ALERT-på TMAG5170 och signalen INT på TMAG5273 kan användas för att meddela styrenheten när en konvertering är klar och data är redo.
• En avkopplingskondensator med låg induktans måste placeras i närheten av givarstiftet. En keramisk kondensator med ett värde på minst 0,01 μF rekommenderas.
• Dessa Halleffektsensorer kan placeras i kapslingar av icke-järnhaltigt material som plast eller aluminium med magneterna för avkänning på utsidan. Givare och magneter kan även placeras på motsatta sidor av ett kretskort.

Sammanfattning

I takt med att rörelse och styrning i 3D ökar, måste konstruktörerna få exakta mätningar i realtid, och samtidigt hålla kostnaderna nere genom förenklad konstruktion och minimerad strömförbrukning. Som visas är hanterar de inbyggda Halleffektsensorerna TMAG5170 och TMAG5273 dessa problem, och ger flexibilitet med snabba samplingsfrekvenser och låg latens för noggrann styrning i realtid, eller långsamma samplingsfrekvenser för att minimera strömförbrukningen i batteridrivna enheter. Hög noggrannhet garanteras med de inbyggda algoritmerna för förstärknings- och offsetkorrigering, i kombination med oberoende temperaturkorrigering för magnet och givare.

Rekommenderad läsning

1. Grunderna för närhetsgivare: Val och användning av dem inom industriell automation
2. Varför och hur man använder det seriella gränssnittet för kringutrustning, för att förenkla anslutningar mellan flera enheter