Slik oppnår du rask og presis posisjonsdeteksjon med lavt strømforbruk for sanntidsstyring

Bruken av tredimensjonal (3D) posisjonsdeteksjon for sanntidsstyring er i vekst på tvers av en rekke Industri 4.0-bruksområder, alt fra industrielle roboter og automatiserte systemer til robotstøvsugere og sikkerhet. 3D Hall-effektposisjonssensorer er et godt alternativ for disse konstruksjonene fordi de gir høy repeterbarhet og pålitelighet, og de kan også brukes med vinduer, dører og kabinetter for inntrengningsdeteksjon eller deteksjon av magnetisk sabotasje.

Likevel kan det være en kompleks og tidskrevende prosess å konstruere et effektivt og trygt 3D-deteksjonssystem ved å bruke en Hall-effektsensor. Hall-effektsensoren må la seg kombinere med en mikrokontroller (MCU) som er kraftig nok til å fungere som en vinkelberegningsmotor og til å utføre gjennomsnittlig måling, samt forsterknings- og forskyvningskompensasjon for å fastsette magnetens orienteringer og 3D-posisjoner. Mikrokontrolleren må også kunne håndtere mye forskjellig diagnostikk, deriblant overvåking av magnetfelt, systemtemperatur, kommunikasjon, kontinuitet, intern signalbane og strømforsyning.

I tillegg til maskinvarekonstruksjon, kan programvareutvikling være kompleks og tidkrevende, noe som ytterligere forsinker tiden det tar å få produktet ut på markedet.

For å møte disse utfordringene, kan konstruktører bruke integrerte Hall-effekt 3D posisjonssensor-IC-er med intern beregningsmotor. Disse IC-ene forenkler programvareutvikling og reduserer systemprosessorens belastning med så mye som 25 %, noe som muliggjør bruk av billige mikrokontrollere for generell bruk. De kan også gi raske samplingsfrekvenser og lav latenstid for å oppnå nøyaktig sanntidsstyring. I batteridrevne enheter kan 3D Hall-effektposisjonssensorer betjenes med driftssykluser på 5 Hertz (Hz) eller mindre for å minimere strømforbruk. I tillegg vil integrerte funksjoner og diagnostikk maksimere konstruksjonsfleksibilitet og systemsikkerhet og -pålitelighet.

Denne artikkelen gjennomgår det grunnleggende om 3D Hall-effektposisjonssensorer og beskriver bruken av dem i robotteknikk, sabotasjedeteksjon, menneskelige grensesnittstyringer og motorsystemer med gimbal. Deretter presenterer den eksempler på lineære 3D Hall-effektposisjonssensorer med høy nøyaktighet fra Texas Instruments, sammen med tilknyttede evalueringskort og implementeringsveiledning for å fremskynde utviklingsprosessen.

Hva er 3D Hall-effektsensorer?

3D Hall-effektsensorer kan samle informasjon om det komplette magnetfeltet, noe som muliggjør bruk av avstands- og vinkelmålinger for posisjonsfastsettelse i 3D-miljøer. De to vanligste plasseringene for disse sensorene er på-akse og koplanar (av-akse) med magnetisk polarisering (figur 1). Når feltet plasseres på polarisasjonsaksen, gir det en ensrettet inngang til sensoren som kan brukes til posisjonsfastsettelse. Koplanar plassering produserer en feltvektor som er parallell med magnetflaten uavhengig av rekkevidden til sensoren, noe som også muliggjør posisjons- og vinkelfastsettelse.

Figur 1: 3D Hall-effektposisjonssensorer kan plasseres på-akse eller koplanart til det magnetiske feltet for å måle avstand og vinkelbevegelse. (Bildekilde: Texas Instruments)

Industri 4.0-systemer, for eksempel roboter, har behov for bevegelsesdeteksjon med flere akser for å måle vinkelen til robotarmer, eller på hvert hjul på mobile roboter for å støtte navigasjon og nøyaktig bevegelse gjennom et anlegg. Integrerte 3D Hall-effektsensorer er egnet for disse oppgavene da de ikke er følsomme for fuktighet eller smuss. Koplanare målinger gir svært nøyaktige magnetfeltmålinger av roterende aksler (figur 2).

Figur 2: Integrerte 3D Hall-effektsensorer kan måle akselrotasjon i roboter og andre Industri 4.0-konstruksjoner. (Bildekilde: Texas Instruments)

Sikre innkapslinger, for eksempel elektrisitets- og gassmålere, automatiske kassemaskiner (minibanker), bedriftsservere og elektronisk salgsutstyr, kan bruke feltmålinger på-akse til å detektere inntrengninger (figur 3). Når kabinettet åpnes, reduseres flukstettheten (B) som registreres av 3D Hall-effektsensoren inntil verdien faller under spesifikasjonspunktet for fluksfrigjøring (B_RP) for Hall-bryteren, og på dette tidspunktet sender sensoren ut et varsel. Når kabinettet er lukket, må den magnetiske flukstettheten være stor nok i forhold til B_RP til å forhindre falske varsler. Siden flukstettheten til en magnet har en tendens til å avta etter hvert som temperaturen øker, kan bruken av 3D Hall-effektsensorer med temperaturutjevning forbedre systemets pålitelighet for kabinetter som brukes i industrielle miljøer eller utemiljøer.

Figur 3: Sabotasjedeteksjon for kabinetter kan implementeres med 3D Hall-effektsensorer for å identifisere uautorisert tilgang. (Bildekilde: Texas Instruments)

Menneskelige grensesnitt og styringer i hvitevarer, test- og måleutstyr og personlig elektronikk kan dra nytte av bruken av alle tre bevegelsesakser. En sensor kan overvåke bevegelse i X- og Y-planene for å identifisere rotasjon av en skive, og kan identifisere når skiven skyves ved å overvåke en stor forskyvning i X- og Y-magnetaksene. Overvåking av Z-aksen gjør det mulig for systemet å identifisere feilstillinger og sende varsler om slitasje eller skade slik at forebyggende vedlikehold kan utføres i tide.

Gimbal-motorsystemer i håndholdte kamerastabilisatorer og droner drar nytte av 3D Hall-effektsensorer med valgbare følsomhetsområder for magnetfelt, samt andre programmerbare parametere for å gi vinkelmålinger til en mikrokontroller (figur 4). Mikrokontrollere justerer kontinuerlig motorposisjonen etter behov for å stabilisere plattformen. En sensor som nøyaktig og presist kan måle vinkler i posisjoner som er på-akse og av-akse, og som gir mekanisk konstruksjonsfleksibilitet.

Figur 4: Gimbal-motorer i håndholdte kameraplattformer og droner drar nytte av 3D Hall-effektsensorer med valgbare følsomhetsområder for magnetfelt. (Bildekilde: Texas Instruments)

Målinger utenfor planet (out-of-plane) forårsaker ofte forskjellige magnetfeltstyrker (forsterkninger) og forskjellige forskyvninger i forskjellige akser, noe som kan forårsake vinkelberegningsfeil. Bruken av en 3D Hall-sensor med forsterknings- og forskyvningskorreksjoner støtter fleksibilitet når sensoren plasseres i forhold til magneten, noe som sikrer de mest nøyaktige vinkelberegningene.

Fleksible 3D Hall-effektsensorer

Texas Instruments gir konstruktører et utvalg av treaksede lineære Hall-effektsensorer, deriblant TMAG5170-familien som består av 3D lineære Hall-effektsensorer med høy nøyaktighet, med et serielt periferigrensesnitt (SPI) på 10 megahertz (MHz) og syklisk redundanskontroll (CRC – cyclic redundancy check), og TMAG5273-familien som består av lineære 3D Hall-effektsensorer med lavt energiforbruk og I²C-grensesnitt og CRC.

TMAG5170-enheter er optimalisert for rask og nøyaktig posisjonsdeteksjon, og de inkluderer følgende: Totalfeil på ±2,6 % med lineær måling (maksimalt ved 25 °C), følsomhet-temperaturdrift på ±2,8 % (maksimalt) og konverteringsfrekvens på 20 kilosamplinger per sekund (ksps) for én enkelt akse. TMAG7273-enheter har lavstrømsmoduser som omfatter: 2,3 milliampere (mA) strøm i aktiv modus, 1 mikroampere (µA) vekke- og hvilemodusstrøm og 5 nanoampere (nA) hvilemodusstrøm. Disse komponentene omfatter fire primære blokkoblinger (figur 5):

• Blokken for strømstyring og oscillator inkluderer underspennings- og overspenningsdeteksjon, forspenning og oscillatorer.
• Hall-sensorer og tilhørende forspenning med multipleksere, støyfiltre, temperaturføling, integreringskrets og en A-D-omformer (ADC) utgjør blokken for sensor- og temperaturmåling.
• Styringkretsene for kommunikasjon, elektrostatisk utladningsbeskyttelse (ESD – electrostatic discharge), inngangs-/utgangsfunksjoner (I/O-funksjoner) og CRC er inkludert i grensesnittblokken.
• Den digitale kjernen inneholder diagnostiske kretser for obligatoriske og brukeraktiverte diagnostiske kontroller, andre husholdningsfunksjoner og en integrert vinkelberegningsmotor som gir 360-graders vinkelposisjonsinformasjon for både på-akse- og av-akse-målinger.

Figur 5: Bortsett fra et SPI-grensesnitt (vist ovenfor) på TMAG5170-modellene og et I² C-grensesnitt på TMAG5273-modellene, er de interne blokkoblingene identiske for begge IC-familiene av 3D Hall-effektsensorer. (Bildekilde: Texas Instruments)

TMAG5170-enhetene leveres i en 8-pinners VSSOP-kapsling som måler 3,00 x 3,00 millimeter (mm), og de er spesifisert over et omgivelsestemperaturområde på –40 °C til +150 °C. TMAG5170A1 kommer med følsomhetsområder på ±25 millitesla (mT), ±50 mT og ±100 mT, mens TMAG5170A2 støtter ±75 mT, ±150 mT og ±300 mT.

Den laveffekts TMAG5273-familien bruker 6-pinners DBV-kapslinger som måler 2,90 x 1,60 mm, og den er spesifisert over et omgivelsestemperaturområde på -40 °C til +125 °C. Det tilbys også i to forskjellige modeller: TMAG5273A1 med følsomhetsområder på ±40 mT og ±80 mT, og TMAG5273A2 som støtter ±133 mT og ±266 mT.

To brukervalgte magnetiske akser brukes for vinkelberegninger. Virkningen av systemets mekaniske feilkilder minimeres gjennom magnetisk forsterkning og forskyvningskorreksjoner. Den integrerte funksjonen for temperaturkompensasjon kan brukes til å uavhengig kompensere for temperaturendringer i magneten eller sensoren. Disse 3D Hall-effektsensorene kan konfigureres gjennom kommunikasjonsgrensesnittet for å muliggjøre brukerstyrte kombinasjoner av magnetiske akser og temperaturmålinger. ALERT-pinnen på TMAG5170 eller INT-pinnen på TMAG5273 kan brukes av en mikrokontroller til å utløse en ny sensorkonvertering.

Evalueringskort hjelper deg med å komme i gang

Texas Instruments tilbyr også to evalueringskort, ett for TMAG5170-serien og ett for TMAG5273-serien, for å muliggjøre grunnleggende funksjonelle evalueringer (figur 6). TMAG5170EVM inkluderer både TMAG5170A1- og TMAG5170A2-modellene på et avbrekkbart (snap-apart) kretskort. TMAG5273EVM har TMAG5273A1- og TMAG5170A2-modellene på et avbrekkbart (snap-apart) kretskort. De inkluderer et sensorstyringskort som lar seg kombinere med det grafiske brukergrensesnittet (GUI – graphic user interface) for å vise og lagre målinger og lese og skrive registre. 3D-printet rotasjons- og skyvemodul brukes til å teste vanlige funksjoner for vinkelmåling.

Figur 6: Både TMAG5170EVM og TMAG5273EVM inkluderer et avbrekkbart kort med to forskjellige IC-er med 3D Hall-effektsensor (nederst til høyre), et sensorstyringskort (nederst til venstre), 3D-printet rotasjons- og skyvemodul (midten) og en USB-kabel for å forsyne strøm. (Bildekilde: Texas Instruments)

Figur 7: Illustrasjon av 3D-printet rotasjons- og skyvemodul montert øverst på EVM-en. (Bildekilde: Texas Instruments)

Bruk av 3D Hall-sensorer

Det er noen implementasjonshensyn som konstruktører må være oppmerksomme på når de bruker disse 3D Hall-effektposisjonssensorene:

• SPI-avlesningen av resultatregisteret i TMAG5170 eller I²C-avlesningen i TMAG5273, må synkroniseres med konverteringsoppdateringstiden for å sikre at de riktige dataene leses. ALERT-signalet på TMAG5170 eller INT-signalet på TMAG5273 kan brukes til å varsle styringen når en konvertering er fullført og dataene er klare.
• En lavinduktans frakoblingskondensator må plasseres i nærheten av sensorpinnen. Det anbefales en keramisk kondensator med en verdi på minst 0,01 mikrofarad (μF).
• Disse Hall-effektsensorene kan integreres i kabinetter laget av ikke-jernholdige materialer som plast eller aluminium, der sensormagnetene er på utsiden. Sensorer og magneter kan også plasseres på motsatte sider av et kretskort.

Konklusjon

Med veksten av 3D-bevegelse og -styring, trenger konstruktører nøyaktige målinger i sanntid, samtidig som kostnadene holdes nede på et minimum gjennom forenklet design og strømforbruket minimeres. Som vist adresserer de integrerte TMAG5170 og TMAG5273 3D Hall-effektsensorene disse utfordringene, og tilbyr fleksibilitet med raske samplingsfrekvenser og lav latenstid for å gi nøyaktig sanntidsstyring, eller trege samplingsfrekvenser for å minimere strømforbruk i batteridrevne enheter. Høy nøyaktighet sikres med de integrerte korreksjonsalgoritmene for forsterkning og forskyvning, kombinert med uavhengig temperaturkorreksjon for magneten og sensoren.

Anbefalt lesing

1. Det grunnleggende om nærhetssensorer: Slik velges de – og slik brukes de i industriautomasjon
2. Slik bruker du det serielle periferigrensesnittet til å forenkle tilkoblinger mellom flere enheter