【導(dǎo)讀】本文將回顧 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機(jī)器人、篡改檢測、人機(jī)接口控制和萬向電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器為例，介紹相關(guān)的評估板及其應(yīng)用指導(dǎo)，從而加快開發(fā)進(jìn)程。如果您對3D霍爾效應(yīng)傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會有所幫助。
文章概述
本文將回顧 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機(jī)器人、篡改檢測、人機(jī)接口控制和萬向電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器為例，介紹相關(guān)的評估板及其應(yīng)用指導(dǎo)，從而加快開發(fā)進(jìn)程。如果您對3D霍爾效應(yīng)傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會有所幫助。
在各種工業(yè) 4.0 應(yīng)用中，通過 3D 位置檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的情況越來越多，從工業(yè)機(jī)器人、自動化系統(tǒng)到機(jī)器人真空和安防。3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器無疑是這些應(yīng)用的極好選擇，因?yàn)檫@種傳感器具有很高的重復(fù)性和可靠性，而且還可與門窗、外殼組合，用于入侵或磁力破壞探測。
3D感測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方案
使用霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)有效、安全的 3D 感測系統(tǒng)可能是一個(gè)復(fù)雜、耗時(shí)的過程。霍爾效應(yīng)傳感器需要與一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器 (MCU) 連接，作為角度計(jì)算引擎并執(zhí)行測量平均化，以及增益和失調(diào)補(bǔ)償，以確定磁鐵的方向和 3D 位置。MCU 還需要執(zhí)行各種診斷功能，包括監(jiān)測磁場、系統(tǒng)溫度、通信、連續(xù)性、內(nèi)部信號路徑和電源。
除了硬件設(shè)計(jì)外，軟件開發(fā)也可能是一個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的過程，從而再一次拖延產(chǎn)品上市時(shí)間。
什么是 3D 霍爾效應(yīng)傳感器？
諸如機(jī)器人之類的工業(yè) 4.0 系統(tǒng)，需要通過多軸運(yùn)動檢測來測量機(jī)器人手臂的角度，或在移動機(jī)器人的每個(gè)滾輪上進(jìn)行多軸檢測，以支持整個(gè)在設(shè)施內(nèi)的導(dǎo)航和精確運(yùn)動。集成 3D 霍爾效應(yīng)傳感器非常適用于這些任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾蝗菀资艹睗窕蚧覊m的影響。使用共面測量法，可對旋轉(zhuǎn)軸磁場進(jìn)行高度精確的測量（圖 2）。
圖 2：集成 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以測量機(jī)器人和其他工業(yè) 4.0 應(yīng)用中的軸旋轉(zhuǎn)。（圖片來源：Texas Instruments）
諸如電表和煤氣表、自動取款機(jī) (ATM)、企業(yè)服務(wù)器和收銀機(jī)的安全外殼可以通過軸上磁場測量進(jìn)行入侵檢測（圖 3）。當(dāng)外殼被打開時(shí)，3D 霍爾效應(yīng)傳感器會檢測到的磁通密度 (B) 下降，并且當(dāng)磁通密度下降至低于霍爾開關(guān)的磁通釋放點(diǎn) (BRP) 點(diǎn)時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器發(fā)出警報(bào)。為了在關(guān)閉外殼時(shí)防止誤報(bào)警，必須保持磁通密度必須足夠大（相對于 BRP 來說）。由于磁鐵的磁通密度往往會隨著溫度的升高而降低，因此使用具有溫度補(bǔ)償功能的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可以提高工業(yè)或戶外環(huán)境中設(shè)備外殼的系統(tǒng)可靠性。
所有三個(gè)運(yùn)動軸都有益于家用電器、測試和測量設(shè)備以及個(gè)人電子產(chǎn)品中的人機(jī)界面和控制。一個(gè)傳感器可以監(jiān)視 X 和 Y 平面內(nèi)的運(yùn)動，以識別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，并且可以通過監(jiān)視 X 和 Y 磁軸的大幅移動來識別轉(zhuǎn)盤何時(shí)被推動。監(jiān)視 Z 軸可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠識別是否錯(cuò)位，并在轉(zhuǎn)盤因?yàn)槟p或損壞可能需要預(yù)防性維護(hù)時(shí)發(fā)出警報(bào)。
手持式相機(jī)穩(wěn)定器和無人機(jī)中的萬向電機(jī)系統(tǒng)都得益于使用3D 霍爾效應(yīng)傳感器，這種傳感器具有多個(gè)磁場靈敏度范圍和其他可編程參數(shù)，可向 MCU 提供角度測量值（圖 4）。MCU會根據(jù)需要不斷調(diào)節(jié)電機(jī)位置以穩(wěn)定平臺。一個(gè)能準(zhǔn)確無誤地測量在軸和偏軸位置角度的傳感器可提高機(jī)械設(shè)計(jì)的靈活性。
柔性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器
Texas instruments 為設(shè)計(jì)者提供了一系列三軸線性霍爾效應(yīng)傳感器，包括TMAG5170 系列高精度 3D 線性霍爾效應(yīng)傳感器和 TMAG5273 系列低功率線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器，兩者均具有循環(huán)冗余校驗(yàn)功能 (CRC)，但 前者采用 10 MHz 串行外設(shè)接口 (SPI)，后者采用 I2C 接口。
電源管理和振蕩器功能塊包括欠壓和過壓檢測、偏置和振蕩器。 霍爾傳感器、相關(guān)偏置以及多路復(fù)用器、噪聲濾波器、溫度檢測、積分電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 組成了檢測、溫度測量功能塊。 通信控制電路、靜電放電 (ESD) 保護(hù)、輸入/輸出 (I/O) 功能和 CRC 均包含在接口功能塊中。 數(shù)字內(nèi)核包括診斷電路和集成角度計(jì)算引擎，前者用于強(qiáng)制性和由用戶啟用的診斷檢查功能以及其他內(nèi)部管理功能，后者用于為在軸和偏軸角度測量提供 360° 角位置信息。
圖 5：TMAG5170 型號器件和 TMAG5273 型號器件除了分別采用 SPI 接口（如上圖所示）和 I2C 接口外，其所用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的內(nèi)部功能模塊是相同的。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一塊具有兩個(gè)不同的 3D 霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的快裝電路板（右下），一個(gè)傳感器控制板（左下），通過 3D 打印制造的旋轉(zhuǎn)和推動模塊（中間）以及一根 USB 電源電纜。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 7：安裝在 EVM 頂部的 3D 打印旋轉(zhuǎn)和推動模塊插圖。（圖片來源：Texas Instruments）
3D 霍爾傳感器應(yīng)用指導(dǎo)
TMAG5170 的結(jié)果寄存器的 SPI 讀數(shù)或者 TMAG5273 的I2C 讀數(shù)需要與轉(zhuǎn)換更新時(shí)間同步，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。TMAG5170 的 ALERT 信號或TMAG5273 的 INT 信號可用于在轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)通知控制器。 低電感去耦電容器必須放置在傳感器引腳附近。建議使用電容值至少為 0.01 μF 的陶瓷電容器。 這些霍爾效應(yīng)傳感器可以嵌入采用非鐵材料（如塑料或鋁）制成的外殼內(nèi)，而檢測用磁鐵位于外殼外面。傳感器和磁鐵也可以放置與 PC 板相對的一側(cè)。
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