Gyors, pontos és kis fogyasztású helyzetérzékelés valós idejű vezérléshez

A térbeli (3D) helyzetérzékelés valós idejű vezérlésre való használata egyre elterjedtebb az Ipar 4.0 különböző felhasználási területein, az ipari robotoktól és automatizált rendszerektől kezdve a robotporszívókon át a biztonságtechnikáig. A 3D Hall-helyzetérzékelők jó választásnak bizonyulnak ezekre az felhasználási módokra, mert nagyfokú ismételhetőséget és megbízhatóságot kínálnak, és ablakok, ajtók és készülékházak vagy egyéb zárt terek esetén is használhatók a behatolás vagy mágneses rendszerhez való illetéktelen hozzáférés érzékelésére.

Mindezek ellenére egy Hall-érzékelőt használó hatékony és biztonságos 3D érzékelőrendszer tervezése összetett és időigényes folyamat lehet. A Hall-érzékelőnek egy olyan mikrovezérlőhöz (MCU) kell kapcsolódnia, amely elég erős ahhoz, hogy szöghelyzetszámító egységként működjön, és mérésátlagolást, valamint nyereség- és eltolódáshelyesbítést végezzen a mágnesek tájolásának és térbeli helyzetének meghatározásához. A mikrovezérlőnek számos diagnosztikai feladatot is el kell látnia, beleértve a mágneses tér, a rendszerhőmérséklet, a kommunikáció, a folytonosság, a belső jelútvonal és az áramellátás felügyeletét.

A hardvertervezés mellett a szoftverfejlesztés is összetett és időigényes lehet, ami tovább késlelteti a piacra kerülést.

Ezeknek a feladatoknak a megoldására a tervezők használhatnak belső számítóegységgel ellátott 3D Hall-helyzetérzékelő integrált áramköröket (IC-ket). Ezek az integrált áramkörök egyszerűsítik a szoftvertervezést, és akár 25%-kal is képesek csökkenteni a rendszerprocesszor terhelését, lehetővé téve egy olcsó, általános célú mikrovezérlő használatát. A pontos valós idejű vezérléshez képesek nagy mintavételi sebességet és kis késleltetést is biztosítani. Az elemről vagy akkumulátorról működő eszközökben a 3D Hall-helyzetérzékelők a fogyasztás minimálisra csökkentése érdekében 5 Hz vagy annál kisebb üzemi frekvencián is működtethetők. A beépített funkciók és diagnosztika emellett maximalizálják a tervezési rugalmasságot, valamint a rendszer biztonságát és megbízhatóságát.

Ez a cikk áttekinti a 3D Hall-helyzetérzékelők alapjait, és ismerteti a robotikában, az illetéktelen hozzáférés érzékelésében, a számítógépes beviteli eszközökben és a helyesbítőmotoros rendszerekben való használatukat. Ezután példákat mutat be a Texas Instruments nagy pontosságú, lineáris 3D Hall-helyzetérzékelőire, valamint ismerteti a kapcsolódó fejlesztőkártyákat és a fejlesztési folyamatot felgyorsító megvalósítási útmutatót.

Mik azok a 3D Hall-érzékelők?

A 3D Hall-érzékelők képesek adatokat gyűjteni a teljes mágneses térről, lehetővé téve a térbeli helyzet távolság- és szögelfordulás-mérések használatával történő meghatározását. Ezen érzékelők két leggyakoribb elhelyezése a tengelyvonalban lévő és a mágneses polarizációval azonos síkban fekvő elhelyezés (1. ábra). A polarizációs tengelyre helyezve a mágneses tér egyirányú bemenetet biztosít az érzékelőnek, ami felhasználható a helyzet meghatározására. A mágneses polarizációval azonos síkban fekvő elhelyezés olyan térerővektort eredményez, amely párhuzamos a mágnes felületével, függetlenül az érzékelő távolságától, és lehetővé teszi a helyzet- és állásszög-meghatározást is.

1. ábra: A 3D Hall-helyzetérzékelők a tengely vonalában és a mágneses tér irányával azonos síkban is elhelyezhetők a távolság és a szögelfordulás mérésére (kép: Texas Instruments)

Az Ipar 4.0-s rendszerek, például a robotok esetében több tengely menti és körüli mozgásérzékelésre van szükség a robotkarok szöghelyzetének méréséhez, illetve a mobil robotok mindegyik kerekénél szükség van mozgásérzékelésre, hogy segítse a létesítményen belüli navigációt és a pontos mozgást. Az integrált áramkörös 3D Hall-érzékelők jól használhatók ezekre a feladatokra, mert nem érzékenyek sem a nedvességre, sem a szennyeződésre. A mágneses polarizációval azonos síkban elhelyezett érzékelővel végzett mérések a forgó tengelyek mágneses terének nagy pontosságú mérését teszik lehetővé (2. ábra).

2. ábra: Az integrált áramkörös 3D Hall-érzékelők képesek a tengelyek elfordulási szögének mérésére robotokban és más Ipar 4.0-s felhasználási területeken (kép: Texas Instruments)

Az olyan biztonságos zárt terekben, mint a villany- és gázórák, bankautomaták (ATM-ek), vállalati kiszolgálók (szerverek) és az elektronikus értékesítési pontok berendezései, a tengely vonalában elhelyezett érzékelővel történő térerőmérést használhatják a behatolások észlelésére (3. ábra). A készülékház vagy -szekrény kinyitásakor a 3D Hall-érzékelő által érzékelt fluxussűrűség (B) addig csökken, amíg a Hall-kapcsoló által meghatározott fluxuskioldási pont (B_RP) alá nem esik, és ekkor az érzékelő riasztást küld. Amikor a ház vagy szekrény zárva van, a mágneses fluxussűrűségnek elég nagynak kell lennie a B_RP értékhez képest a téves riasztások elkerülése végett. Mivel a mágnes fluxussűrűsége hajlamos csökkenni a hőmérséklet növekedésével, az ipari vagy kültéri környezetben használt készülékházak és -szekrények esetében a hőmérséklet-kiegyenlítésre képes 3D Hall-érzékelők használata javíthatja a rendszer megbízhatóságát.

3. ábra: A készülékházba vagy -szekrénybe való illetéktelen behatolás érzékelése megvalósítható 3D Hall-érzékelőkkel is (kép: Texas Instruments)

A háztartási készülékek, az ellenőrző- és mérőberendezések, valamint a személyi elektronika jelbeviteli eszközei és kezelőszervei esetében előnyös lehet, ha mindhárom mozgástengelyen vannak érzékelők. Az érzékelő képes figyelni az X és Y síkban történő mozgást a tárcsa forgásának azonosítására, és az X és Y mágneses tengely nagymértékű elmozdulását figyelve képes felismerni, ha a tárcsát megnyomják. A Z tengely figyelése azt teszi lehetővé, hogy a rendszer azonosítsa a hibás beállításokat, és riasztást küldjön kopás vagy sérülés esetén, jelezve, hogy a tárcsa valószínűleg megelőző karbantartást igényel.

A kézi kamerák stabilizátoraiban és drónokon használt helyesbítőmotoros rendszereknél előnyös az olyan 3D Hall-érzékelők használata, amelyeknek több választható mágnesestérerő-érzékenységi tartományuk és egyéb programozható paraméterük van, és szöghelyzet- vagy szögelfordulás-adatokat szolgáltatnak a mikrovezérlő számára (4. ábra). A mikrovezérlő folyamatosan a kameraállvány stabilizálásához szükséges mértékben módosítja a motor forgórészének helyzetét. Egy olyan érzékelő, amely pontosan képes mérni a szögeket a tengely vonalában és nem a tengelyvonalban elhelyezve is, mechanikai tervezési rugalmasságot tesz lehetővé.

4. ábra: A kézi kamerák állványában és drónokban használt helyesbítőmotorokhoz előnyösek az olyan 3D Hall-érzékelők, amelyeknek több választható a mágnesestér-érzékenységi tartományuk van (kép: Texas Instruments)

A nem a mágneses térerővel azonos síkban végzett mérések gyakran eltérő mágneses térerőt (nyereséget) és eltérő eltolódásokat okoznak a különböző tengelyek mentén, ami szöghelyzet-számítási hibákat eredményezhet. A 3D Hall-érzékelő használata nyereség- és eltolódáshelyesbítéssel segíti az érzékelő mágneshez viszonyított elhelyezésének rugalmasságát, a legpontosabb szöghelyzet-számításokat kínálva.

Rugalmas 3D Hall-érzékelők

A Texas Instruments háromtengelyes lineáris Hall-érzékelők nagy választékát kínálja a tervezőknek, beleértve a TMAG5170 termékcsaládot, amely nagy pontosságú 3D lineáris Hall-érzékelőket tartalmaz 10 MHz-es soros perifériaillesztővel (SPI) és ciklikus redundancia-ellenőrzéssel (CRC), valamint a TMAG5273 termékcsaládot, amelynek tagjai kis fogyasztású lineáris 3D Hall-érzékelők I²C illesztőfelülettel és ciklikus redundancia-ellenőrzéssel.

A TMAG5170 termékcsaládba tartozó eszközök gyors és pontos helyzetérzékelésre lettek optimalizálva, és a következő jellemzőik vannak: legfeljebb ±2,6% teljes lineáris mérési hiba (25 °C-on), az érzékenység (legfeljebb) ±2,8%-os hőmérsékleti elsodródása, valamint 20 ezer minta/másodperc (ks/s) átalakítási sebesség egy tengelyre vetítve. A TMAG7273 termékcsaládtagjainak kis fogyasztású üzemmódjai is vannak, többek között az alábbiak: 1 µA áramfelvétel ébresztési üzemmódban és 5 nA áramfelvétel alvó üzemmódban. Ezek az IC-k négy fő funkcióblokkot tartalmaznak (5. ábra):

• Az áramellátás-kezelő és oszcillátorblokk végzi a feszültségesés- és túlfeszültség-érzékelést és az előmágnesezést, és tartalmazza az oszcillátorokat.
• A Hall-érzékelők és a hozzájuk kapcsolódó előmágnesezések a multiplexerekkel, zajszűrőkkel, hőmérséklet-érzékeléssel, integráló áramkörrel és analóg-digitális átalakítóval (ADC) alkotják az érzékelő- és hőmérsékletmérő blokkot.
• A kommunikációvezérlő áramkörök, az elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelem, a be- és kimeneti (I/O) funkciók és a ciklikus redundancia-ellenőrzés (CRC) az illesztőblokkban találhatók.
• A digitális mag diagnosztikai áramköröket tartalmaz a kötelező és a felhasználó által engedélyezett diagnosztikai ellenőrzésekhez, valamint egyéb belső szabályozási funkciókat és egy beépített szöghelyzetszámító egységet, amely 360°-os szöghelyzetadatokat szolgáltat mind a tengely vonalában elhelyezett, mind a nem tengelyvonalban elhelyezett érzékelőkkel történő szöghelyzet- és szögelfordulás-mérések esetében.

5. ábra: A belső funkcionális blokkok a TMAG5170 termékcsalád SPI perifériaillesztőjének (fent látható), illetve a TMAG5273 termékcsalád I²C illesztőfelületének kivételével megegyeznek a 3D Hall-érzékelős IC-k e két termékcsaládjánál (kép: Texas Instruments)

A TMAG5170 termékcsaládba tartozó eszközök 3,00 mm × 3,00 mm méretű, 8 lábú VSSOP tokban kerülnek forgalomba, és névlegesen a –40 °C – +150 °C közötti környezetihőmérséklet-tartományban használhatók. A TMAG5170A1 típus érzékenységi tartományai: ±25 mT, ±50 mT és ±100 mT, míg a TMAG5170A2 típus érzékenységi tartományai: ±75 mT, ±150 mT és ±300 mT.

A kis fogyasztású TMAG5273 termékcsalád tagjai 2,90 mm × 1,60 mm méretű, 6 lábú DBV tokozással kaphatóak, és névlegesen a –40 °C – +125 °C közötti környezetihőmérséklet-tartományban használhatók. Ez a termékcsalád két különböző változatban is kapható. A TMAG5273A1 típus érzékenységi tartományai: ±40 mT és ±80 mT, míg a TMAG5273A2 típus érzékenységi tartományai: ±133 mT és ±266 mT.

Az eszközök a szöghelyzet- és szögelfordulás-számításokhoz a felhasználó által kiválasztott két mágneses tengelyt használnak. A rendszer mechanikai hibaforrásainak hatása a mágnesesnyereség- és -eltolódáshelyesbítések révén minimálisra csökkenthető. A beépített hőmérséklet-kiegyenlítő funkcióval a mágnes vagy az érzékelő hőmérséklet-változásai egymástól függetlenül helyesbíthetőek. Ezeket a 3D Hall-érzékelőket a kommunikációs csatlakozón keresztül lehet beállítani, hogy a felhasználó adhassa meg a mágneses tengelyek és hőmérsékletmérések kívánt kombinációit. A TMAG5170 ALERT lábát vagy a TMAG5273 INT lábát egy mikrovezérlő használhatja az új érzékelő-jelátalakítások elindítására.

Fejlesztőkártyák segítenek a kezdésben

A Texas Instruments két fejlesztőkártyát is kínál, egyet a TMAG5170, egy másikat pedig a TMAG5273 termékcsaládhoz. Ezek a kártyák az alapvető funkciók értékelését teszik lehetővé (6. ábra). A TMAG5170EVM kártya a TMAG5170A1 és a TMAG5170A2 típust is tartalmazza egy kettétörhető nyomtatott áramköri lapon, míg a TMAG5273EVM kártya a TMAG5273A1 és a TMAG5273A2 típust tartalmazza ugyancsak egy kettétörhető nyomtatott áramköri lapon. Tartozik hozzájuk egy érzékelővezérlő kártya is, amely a grafikus felhasználói felülethez (GUI) csatlakoztatható a mérések megtekintése és mentése, valamint a regiszterek olvasása és írása céljából. A 3D nyomtatással készült forgatható és lenyomható modul a szögmérés általános funkcióinak tesztelésére szolgál.

6. ábra: A TMAG5170EVM és a TMAG5273EVM fejlesztőkártyához egyaránt tartozik egy kettétörhető érzékelőkártya, amelyen két különböző 3D Hall-érzékelő IC található (jobbra lent), egy érzékelővezérlő kártya (balra lent), egy 3D nyomtatással készült forgatható és lenyomható modul (középen), valamint egy USB-kábel az áramellátáshoz. (kép: Texas Instruments)

7. ábra: A fejlesztőkártya felső részére szerelt, 3D nyomtatással készült forgatható és lenyomható modul képe (kép: Texas Instruments)

A 3D Hall-érzékelők használata

Van néhány kivitelezési szempont, amelyekkel a tervezőknek tisztában kell lenniük, amikor ezeket a 3D Hall-helyzetérzékelőket használják:

• Az eredményregiszter SPI perifériaillesztőn (TMAG5170), illetve I²C illesztőfelületen (TMAG5273) keresztül történő kiolvasását szinkronizálni kell az átalakítás frissítési idejével, hogy a rendszer biztosan a helyes adatokat olvassa ki. A TMAG5170 ALERT jele, illetve a TMAG5273 INT jele a mikrovezérlő értesítésére használható, hogy az átalakítás befejeződött, és az adatok felhasználásra készek.
• Az érzékelőláb közelében egy kis induktivitású leválasztókondenzátort kell elhelyezni. Legalább 0,01 μF kapacitású kerámiakondenzátor használata ajánlott.
• Ezek a Hall-érzékelők beágyazhatók nemvas anyagból, például műanyagból vagy alumíniumból készült burkolatokba, az érzékelőmágnesekkel a külső oldalon. Az érzékelők és a mágnesek a nyomtatott áramköri lap ellentétes oldalaira is elhelyezhetők.

Összegzés

A térbeli mozgásérzékelés és vezérlés iránti igények növekedésével a tervezőknek pontos, valós idejű méréseket kell elérniük, miközben a költségeket az egyszerűsített tervezés révén minimálisra kell csökkenteniük úgy, hogy közben a fogyasztás is a lehető legkisebb legyen. Amint látható, a TMAG5170 és TMAG5273 integrált áramkörös 3D Hall-érzékelők megoldják ezeket a problémákat, és rugalmasan kínálnak nagy mintavételi sebességet és kis késleltetést a pontos valós idejű vezérléshez, illetve kis mintavételi sebességet az akkumulátorral működő eszközök fogyasztásának minimálisra csökkentéséhez. A nagy pontosságot a beépített nyereség- és eltolódáshelyesbítő algoritmusok teszik lehetővé a mágnes és az érzékelő egymástól független hőmérséklet-kiegyenlítésével kombinálva.

Ajánlott olvasnivaló

1. The Fundamentals of Proximity Sensors: Their Selection and Use in Industrial Automation (A közelségérzékelők alapjai: kiválasztásuk és az ipari automatizálásban való felhasználásuk)
2. Why and How to Use the Serial Peripheral Interface to Simplify Connections Between Multiple Devices (Miért és hogyan használják a soros perifériaillesztőt a több eszköz közötti kapcsolatok egyszerűsítésére?)