從工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)到機(jī)器人吸塵器和安全，三維（3D）位置傳感在各種工業(yè)4.0應(yīng)用中的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用越來越多。3D霍爾效應(yīng)位置傳感器是這些應(yīng)用的良好選擇，因?yàn)樗鼈兙哂懈咧貜?fù)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(cè)。

不過，使用霍爾效應(yīng)傳感器設(shè)計(jì)有效且安全的3D傳感系統(tǒng)可能是一個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過程?；魻栃?yīng)傳感器需要與功能足夠強(qiáng)大的微控制器（MCU）接口，以充當(dāng)角度計(jì)算引擎并執(zhí)行測(cè)量平均以及增益和偏移補(bǔ)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(jiān)控磁場(chǎng)、系統(tǒng)溫度、通信、連續(xù)性、內(nèi)部信號(hào)路徑和電源。

除了硬件設(shè)計(jì)之外，軟件開發(fā)可能會(huì)非常復(fù)雜和耗時(shí)，從而進(jìn)一步推遲上市時(shí)間。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以使用集成霍爾效應(yīng)3D位置傳感器IC和內(nèi)部計(jì)算引擎。這些IC簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，并將系統(tǒng)處理器的負(fù)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(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)控制。在電池供電的設(shè)備中，3D霍爾效應(yīng)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(shè)計(jì)靈活性以及系統(tǒng)的安全性和可靠性。

本文回顧了3D霍爾效應(yīng)位置傳感器的基本原理，并介紹了它們?cè)跈C(jī)器人、篡改檢測(cè)、人機(jī)界面控制和萬向節(jié)電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后，它展示了來自的高精度、線性3D霍爾效應(yīng)位置傳感器示例德州儀器，以及相關(guān)的評(píng)估板和實(shí)施指南來加快開發(fā)過程。

什么是3D霍爾效應(yīng)傳感器？

3D霍爾效應(yīng)傳感器可以收集關(guān)于整個(gè)磁場(chǎng)的信息，從而能夠在3D環(huán)境中使用距離和角度測(cè)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(dāng)放置在偏振軸上時(shí)，該場(chǎng)向傳感器提供單向輸入，可用于位置確定。共面放置產(chǎn)生一個(gè)平行于磁體表面的磁場(chǎng)矢量，與傳感器的距離無關(guān)，還可以確定位置和角度。

圖1: 3D霍爾效應(yīng)位置傳感器可以與磁場(chǎng)同軸或共面放置，以測(cè)量距離和角運(yùn)動(dòng)。（圖片來源:德州儀器）

機(jī)器人等工業(yè)4.0系統(tǒng)需要多軸運(yùn)動(dòng)傳感來測(cè)量機(jī)械臂的角度，或者在移動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)車輪處支持導(dǎo)航和在整個(gè)設(shè)施中的精確移動(dòng)。集成的3D霍爾效應(yīng)傳感器非常適合這些任務(wù)，因?yàn)樗鼈儾灰资軡駳饣蚧覊m的影響。共面測(cè)量提供旋轉(zhuǎn)軸的高精度磁場(chǎng)測(cè)量（圖2）。

圖2:集成3D霍爾效應(yīng)傳感器可以測(cè)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:德州儀器）

電表和煤氣表、自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）、企業(yè)服務(wù)器和電子銷售點(diǎn)設(shè)備等安全外殼可以使用軸上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來檢測(cè)入侵（圖3）。當(dāng)外殼打開時(shí)，由3D霍爾效應(yīng)傳感器感測(cè)到的磁通密度（B）降低，直到其降到磁通釋放點(diǎn)（B）以下菲律賓共和國）霍爾開關(guān)的規(guī)格，此時(shí)傳感器發(fā)出警報(bào)。當(dāng)外殼閉合時(shí)，磁通量密度相對(duì)于B必須足夠大菲律賓共和國以防止錯(cuò)誤警報(bào)。由于磁體的磁通密度會(huì)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)或室外環(huán)境中使用的外殼的系統(tǒng)可靠性。

圖3:可以使用3D霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)施盤柜篡改檢測(cè)，以識(shí)別未經(jīng)授權(quán)的訪問。（圖片來源:德州儀器）

家用電器、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及個(gè)人電子產(chǎn)品中的人機(jī)界面和控制都可以受益于所有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的使用。傳感器可以監(jiān)測(cè)X和Y平面上的運(yùn)動(dòng)以識(shí)別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，并且可以通過監(jiān)測(cè)X和Y磁軸上的大位移來識(shí)別轉(zhuǎn)盤何時(shí)被推動(dòng)。監(jiān)控Z軸使系統(tǒng)能夠識(shí)別錯(cuò)位并發(fā)送磨損或損壞警報(bào)，表盤可能需要預(yù)防性維護(hù)。

手持?jǐn)z像機(jī)穩(wěn)定器和無人機(jī)中的萬向節(jié)電機(jī)系統(tǒng)受益于使用具有可選磁場(chǎng)靈敏度范圍和其他可編程參數(shù)的3D霍爾效應(yīng)傳感器，從而為MCU提供角度測(cè)量（圖4）。MCU根據(jù)需要不斷調(diào)整電機(jī)位置以穩(wěn)定平臺(tái)。能夠精確測(cè)量軸上和軸外位置角度的傳感器提供了機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性.

圖4:手持相機(jī)平臺(tái)和無人機(jī)中的萬向節(jié)電機(jī)受益于具有可選磁場(chǎng)靈敏度范圍的3D霍爾效應(yīng)傳感器。（圖片來源:德州儀器）

平面外測(cè)量通常會(huì)導(dǎo)致不同軸上的不同磁場(chǎng)強(qiáng)度（增益）和不同偏移量，這會(huì)導(dǎo)致角度計(jì)算誤差。當(dāng)相對(duì)于磁體放置傳感器時(shí)，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(jì)算。

柔性3D霍爾效應(yīng)傳感器

德州儀器為設(shè)計(jì)人員提供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，具有10兆赫（MHz）串行外設(shè)接口（SPI）和循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）；TMAG5273系列低功耗線性3D霍爾效應(yīng)傳感器，帶I C接口和CRC。

TMAG5170器件針對(duì)快速、精確的位置檢測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，包括:線性測(cè)量總誤差為2.6%（25°C時(shí)最大）；靈敏度溫度漂移為2.8%（最大值），以及；單軸轉(zhuǎn)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(dòng)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(gè)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(cè)、偏置和振蕩器。

霍爾傳感器及相關(guān)偏置、多路復(fù)用器、噪聲濾波器、溫度檢測(cè)、積分器電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成了檢測(cè)和溫度測(cè)量模塊。

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

數(shù)字內(nèi)核包含用于強(qiáng)制和用戶使能診斷檢查的診斷電路、其它內(nèi)務(wù)處理功能，以及一個(gè)集成的角度計(jì)算引擎，可提供360°角位置信息，用于軸上和離軸角度測(cè)量。

圖5:除了TMAG5170型號(hào)的SPI接口(如上所示)和TMAG5273型號(hào)的I C接口之外，這兩個(gè)系列的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: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(huán)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(huán)境溫度范圍為–40°C至+125°C，同時(shí)提供兩種不同型號(hào):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(gè)用戶選擇的磁軸用于角度計(jì)算。通過磁增益和偏移校正，系統(tǒng)機(jī)械誤差源的影響被最小化。板載溫度補(bǔ)償功能可用于獨(dú)立補(bǔ)償磁體或傳感器的溫度變化。這些3D霍爾效應(yīng)傳感器可以通過通信接口進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)用戶控制的磁軸和溫度測(cè)量組合。MCU可以利用TMAG5170的ALERT引腳或TMAG5273的INT引腳來觸發(fā)新的傳感器轉(zhuǎn)換。

評(píng)估板有助于入門

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

圖TMAG5170EVM和TMAG5273EVM都包括一個(gè)帶兩個(gè)不同3D霍爾效應(yīng)傳感器IC(右下)的快速分離板、一個(gè)傳感器控制板(左下)、3D打印旋轉(zhuǎn)和推動(dòng)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(zhuǎn)和推動(dòng)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(yīng)位置傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要注意一些實(shí)施注意事項(xiàng):

TMAG5170中結(jié)果寄存器的SPI讀數(shù)或TMAG5273中的I C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)。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)就緒時(shí)，TMAG5170上的ALERT信號(hào)或TMAG5273上的INT信號(hào)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(yīng)傳感器可以嵌入由塑料或鋁等非鐵材料制成的外殼內(nèi)，感應(yīng)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(duì)兩側(cè)。

結(jié)論

隨著3D運(yùn)動(dòng)和控制的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員需要實(shí)時(shí)獲得精確的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將成本降至最低，同時(shí)將功耗降至最低。如圖所示，TMAG5170和TMAG5273集成式3D霍爾效應(yīng)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(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)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(shè)備的功耗。集成的增益和失調(diào)校正算法確保了高精度，并結(jié)合了磁體和傳感器的獨(dú)立溫度校正。


審核編輯 黃宇