從工業機器人和自動化系統到機器人吸塵器和安全，三維（3D）位置傳感在各種工業4.0應用中的實時控制應用越來越多。3D霍爾效應位置傳感器是這些應用的良好選擇，因為它們具有高重復性和可靠性，還可以與窗戶、門和外殼一起用于入侵或磁性篡改檢測。

不過，使用霍爾效應傳感器設計有效且安全的3D傳感系統可能是一個復雜且耗時的過程。霍爾效應傳感器需要與功能足夠強大的微控制器（MCU）接口，以充當角度計算引擎并執行測量平均以及增益和偏移補償，從而確定磁體方向和3D位置。MCU還需要處理各種診斷，包括監控磁場、系統溫度、通信、連續性、內部信號路徑和電源。

除了硬件設計之外，軟件開發可能會非常復雜和耗時，從而進一步推遲上市時間。

為了應對這些挑戰，設計人員可以使用集成霍爾效應3D位置傳感器IC和內部計算引擎。這些IC簡化了軟件設計，并將系統處理器的負載降低了25%，支持使用低成本通用MCU。它們還可以提供快速采樣速率和低延遲，以實現精確的實時控制。在電池供電的設備中，3D霍爾效應位置傳感器可以在5赫茲（Hz）或更低的占空比下工作，以最大限度地降低功耗。此外，集成的功能和診斷最大限度地提高了設計靈活性以及系統的安全性和可靠性。

本文回顧了3D霍爾效應位置傳感器的基本原理，并介紹了它們在機器人、篡改檢測、人機界面控制和萬向節電機系統中的應用。然后，它展示了來自的高精度、線性3D霍爾效應位置傳感器示例德州儀器，以及相關的評估板和實施指南來加快開發過程。

什么是3D霍爾效應傳感器？

3D霍爾效應傳感器可以收集關于整個磁場的信息，從而能夠在3D環境中使用距離和角度測量來確定位置。這些傳感器最常見的兩種放置方式是同軸和與磁極化共面（圖1）。當放置在偏振軸上時，該場向傳感器提供單向輸入，可用于位置確定。共面放置產生一個平行于磁體表面的磁場矢量，與傳感器的距離無關，還可以確定位置和角度。

圖1: 3D霍爾效應位置傳感器可以與磁場同軸或共面放置，以測量距離和角運動。（圖片來源:德州儀器）

機器人等工業4.0系統需要多軸運動傳感來測量機械臂的角度，或者在移動機器人的每個車輪處支持導航和在整個設施中的精確移動。集成的3D霍爾效應傳感器非常適合這些任務，因為它們不易受濕氣或灰塵的影響。共面測量提供旋轉軸的高精度磁場測量（圖2）。

圖2:集成3D霍爾效應傳感器可以測量機器人和其他工業4.0應用中的軸旋轉。（圖片來源:德州儀器）

電表和煤氣表、自動柜員機（ATM）、企業服務器和電子銷售點設備等安全外殼可以使用軸上現場測量來檢測入侵（圖3）。當外殼打開時，由3D霍爾效應傳感器感測到的磁通密度（B）降低，直到其降到磁通釋放點（B）以下菲律賓共和國）霍爾開關的規格，此時傳感器發出警報。當外殼閉合時，磁通量密度相對于B必須足夠大菲律賓共和國以防止錯誤警報。由于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霍爾效應傳感器可以提高工業或室外環境中使用的外殼的系統可靠性。

圖3:可以使用3D霍爾效應傳感器實施盤柜篡改檢測，以識別未經授權的訪問。（圖片來源:德州儀器）

家用電器、測試和測量設備以及個人電子產品中的人機界面和控制都可以受益于所有三個運動軸的使用。傳感器可以監測X和Y平面上的運動以識別轉盤的旋轉，并且可以通過監測X和Y磁軸上的大位移來識別轉盤何時被推動。監控Z軸使系統能夠識別錯位并發送磨損或損壞警報，表盤可能需要預防性維護。

手持攝像機穩定器和無人機中的萬向節電機系統受益于使用具有可選磁場靈敏度范圍和其他可編程參數的3D霍爾效應傳感器，從而為MCU提供角度測量（圖4）。MCU根據需要不斷調整電機位置以穩定平臺。能夠精確測量軸上和軸外位置角度的傳感器提供了機械設計靈活性.

圖4:手持相機平臺和無人機中的萬向節電機受益于具有可選磁場靈敏度范圍的3D霍爾效應傳感器。（圖片來源:德州儀器）

平面外測量通常會導致不同軸上的不同磁場強度（增益）和不同偏移量，這會導致角度計算誤差。當相對于磁體放置傳感器時，使用具有增益和偏移校正的3D霍爾傳感器支持靈活性，從而確保最精確的角度計算。

柔性3D霍爾效應傳感器

德州儀器為設計人員提供一系列三軸線性霍爾效應傳感器，包括TMAG5170系列高精度3D線性霍爾效應傳感器，具有10兆赫（MHz）串行外設接口（SPI）和循環冗余校驗（CRC）；TMAG5273系列低功耗線性3D霍爾效應傳感器，帶I C接口和CRC。

TMAG5170器件針對快速、精確的位置檢測進行了優化，包括:線性測量總誤差為2.6%（25°C時最大）；靈敏度溫度漂移為2.8%（最大值），以及；單軸轉換速率為每秒20千樣本（Ksps）。TMAG7273器件具有低功耗模式，包括:2.3毫安（mA）主動模式電流；1微安（A）喚醒和睡眠模式電流，以及；5納安（nA）睡眠模式電流。這些IC包括四個主要功能模塊（圖5）:

電源管理和振蕩器模塊包括欠壓和過壓檢測、偏置和振蕩器。

霍爾傳感器及相關偏置、多路復用器、噪聲濾波器、溫度檢測、積分器電路和模數轉換器(ADC)構成了檢測和溫度測量模塊。

接口模塊包括通信控制電路、靜電放電(ESD)保護、輸入/輸出(I/O)功能和CRC。

數字內核包含用于強制和用戶使能診斷檢查的診斷電路、其它內務處理功能，以及一個集成的角度計算引擎，可提供360°角位置信息，用于軸上和離軸角度測量。

圖5:除了TMAG5170型號的SPI接口(如上所示)和TMAG5273型號的I C接口之外，這兩個系列的3D霍爾效應傳感器IC的內部功能模塊是相同的。(圖片來源:德州儀器)

TMAG5170采用8引腳VSSOP封裝，尺寸為3.00 x 3.00毫米(mm)，額定環境溫度范圍為–40°C至+150°C。TMAG5170A1包括25毫特斯拉(mT)、50 mT和100 mT的靈敏度范圍，而TMAG5170A2支持75公噸、150公噸和300公噸。

低功耗TMAG5273系列采用6引腳DBV封裝，尺寸為2.90 x 1.60 mm，額定環境溫度范圍為–40°C至+125°C，同時提供兩種不同型號:這TMAG5273A1靈敏度范圍為40 mT和80 mT，而TMAG5273A2支持133公噸和266公噸。

兩個用戶選擇的磁軸用于角度計算。通過磁增益和偏移校正，系統機械誤差源的影響被最小化。板載溫度補償功能可用于獨立補償磁體或傳感器的溫度變化。這些3D霍爾效應傳感器可以通過通信接口進行配置，以實現用戶控制的磁軸和溫度測量組合。MCU可以利用TMAG5170的ALERT引腳或TMAG5273的INT引腳來觸發新的傳感器轉換。

評估板有助于入門

德州儀器還提供兩個評估板，一個用于TMAG5170系列和一個TMAG5273系列，允許基本的功能評估(圖6)。TMAG5170EVM將TMAG5170A1和TMAG5170A2兩種型號集成在一個分離式pc板上。TMAG5273EVM將TMAG5273A1和TMAG5273A2型號集成在一個可快速拆卸的pc板上。它們包括一個傳感器控制板，與圖形用戶界面(GUI)接口，以查看和保存測量結果，并讀寫寄存器。3D打印的旋轉和推動模塊用于測試角度測量的常見功能。

圖TMAG5170EVM和TMAG5273EVM都包括一個帶兩個不同3D霍爾效應傳感器IC(右下)的快速分離板、一個傳感器控制板(左下)、3D打印旋轉和推動模塊(中間)以及一條USB電纜來供電。(圖片來源:德州儀器)

圖7:安裝在EVM頂部的3D打印旋轉和推動模塊的圖示。(圖片來源:德州儀器)

使用3D霍爾傳感器

使用這些3D霍爾效應位置傳感器時，設計人員需要注意一些實施注意事項:

TMAG5170中結果寄存器的SPI讀數或TMAG5273中的I C讀數需要與轉換更新時間同步，以確保讀取正確的數據。當轉換完成且數據就緒時，TMAG5170上的ALERT信號或TMAG5273上的INT信號可以用來通知控制器。

低電感去耦電容必須靠近傳感器引腳放置。建議使用至少0.01微法(μF)的陶瓷電容。

這些霍爾效應傳感器可以嵌入由塑料或鋁等非鐵材料制成的外殼內，感應磁體位于外殼外部。傳感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運動和控制的發展，設計人員需要實時獲得精確的測量結果，同時通過簡化設計將成本降至最低，同時將功耗降至最低。如圖所示，TMAG5170和TMAG5273集成式3D霍爾效應傳感器可以解決這些問題，提供快速采樣速率和低延遲的靈活性，以實現精確的實時控制；或者提供慢速采樣速率，以最大限度地降低電池供電設備的功耗。集成的增益和失調校正算法確保了高精度，并結合了磁體和傳感器的獨立溫度校正。


審核編輯 黃宇