Hoe bereikt u snelle, nauwkeurige en energiezuinige positiebepaling voor real-time besturing?

Het gebruik van driedimensionale (3D) positiebepaling voor real-time besturing neemt toe in een verscheidenheid van Industrie 4.0-toepassingen, variërend van industriële robots en geautomatiseerde systemen tot robotstofzuigers en beveiliging. 3D Hall-effect positiesensoren zijn een goede optie voor deze toepassingen, omdat zij een hoge herhaalbaarheid en betrouwbaarheid bieden, en ook kunnen worden gebruikt bij ramen, deuren en behuizingen voor inbraakdetectie of detectie van magnetische sabotage.

Toch kan het ontwerpen van een doeltreffend en veilig 3D-detectiesysteem met behulp van een Hall-effectsensor een ingewikkeld en tijdrovend proces zijn. De Hall-effect sensor moet een interface hebben met een microcontroller (MCU) die krachtig genoeg is om als motor voor de hoekberekening te fungeren en om het gemiddelde van de metingen te berekenen, alsmede de compensatie van versterking en offset om de oriëntatie van de magneten en de 3D-posities te bepalen. De MCU moet ook een aantal diagnoses stellen, waaronder de bewaking van het magnetisch veld, de systeemtemperatuur, de communicatie, de continuïteit, de interne signaalweg en de stroomvoorziening.

Naast het ontwerp van de hardware kan ook de ontwikkeling van de software complex en tijdrovend zijn, waardoor de marktintroductietijd nog verder wordt vertraagd.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, kunnen ontwerpers gebruik maken van geïntegreerde Hall-effect 3D-positiesensor IC's met een interne berekeningsmotor. Deze IC's vereenvoudigen het softwareontwerp en verminderen de belasting van de systeemprocessor met maar liefst 25%, waardoor het gebruik van een goedkope, universele MCU mogelijk wordt. Zij kunnen ook hoge bemonsteringsfrequenties en lage latentie bieden voor nauwkeurige real-time controle. In apparaten die op batterijen werken, kunnen 3D Hall-effect positiesensoren worden gebruikt met bedrijfscycli van 5 Hertz (Hz) of minder om het stroomverbruik te minimaliseren. Bovendien maximaliseren geïntegreerde functies en diagnostiek de ontwerpflexibiliteit en de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem.

Dit artikel geeft een overzicht van de grondbeginselen van 3D Hall-effect positiesensoren en beschrijft hun gebruik in robotica, sabotagedetectie, bediening van menselijke interfaces en gimbal motorsystemen. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van uiterst nauwkeurige, lineaire 3D Hall-effect positiesensoren van Texas Instruments, samen met bijbehorende evaluatiekaarten en implementatierichtlijnen om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Wat zijn 3D Hall-effect sensoren?

3D Hall-effect sensoren kunnen informatie verzamelen over het volledige magnetische veld, waardoor het gebruik van afstands- en hoekmetingen voor positiebepaling in 3D-omgevingen mogelijk wordt. De twee meest voorkomende plaatsingen voor deze sensoren zijn on-axis en coplanair met de magnetische polarisatie (Afbeelding 1). Wanneer het veld op de polarisatie-as wordt geplaatst, levert het een eenrichtingsingang aan de sensor die kan worden gebruikt voor positiebepaling. Coplanaire plaatsing levert een veldvector op die evenwijdig is aan het magneetvlak, ongeacht de afstand tot de sensor, waardoor ook positie- en hoekbepaling mogelijk is.

Afbeelding 1: 3D Hall-effect positiesensoren kunnen on-axis of coplanair ten opzichte van het magnetische veld worden geplaatst om afstand en hoekbeweging te meten. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Industrie 4.0-systemen zoals robots hebben meerassige bewegingsdetectie nodig om de hoek van robotarmen te meten, of bij elk wiel van mobiele robots om navigatie en nauwkeurige bewegingen door een faciliteit te ondersteunen. Geïntegreerde 3D Hall-effect sensoren zijn zeer geschikt voor deze taken omdat zij niet gevoelig zijn voor vocht of vuil. Coplanaire metingen leveren zeer nauwkeurige magnetische veldmetingen van roterende assen op (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Geïntegreerde 3D Hall-effect sensoren kunnen de rotatie van assen meten in robots en andere Industrie 4.0-toepassingen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Beveiligde omhulsels zoals elektriciteits- en gasmeters, geldautomaten, bedrijfsservers en elektronische kassa's kunnen gebruik maken van on-axis veldmetingen om inbraken te detecteren (Afbeelding 3). Wanneer de behuizing wordt geopend, neemt de fluxdichtheid (B) die door de 3D Hall-effect sensor wordt waargenomen, af totdat deze onder de specificatie voor het fluxvrijgavepunt (_BRP) van de Hall-schakelaar komt; op dat moment geeft de sensor een waarschuwing. Wanneer de kast gesloten is, moet de magnetische fluxdichtheid groot genoeg zijn ten opzichte van de B_RP om valse alarmen te voorkomen. Aangezien de fluxdichtheid van een magneet de neiging heeft af te nemen naarmate de temperatuur stijgt, kan het gebruik van een 3D Hall-effect sensor met temperatuurcompensatie de betrouwbaarheid van het systeem verbeteren voor behuizingen die in industriële of buitenomgevingen worden gebruikt.

Afbeelding 3: Detectie van sabotage van behuizingen kan worden geïmplementeerd met 3D Hall-effect sensoren om ongeoorloofde toegang te identificeren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Menselijke interfaces en besturingen in huishoudelijke apparaten, test- en meetapparatuur en persoonlijke elektronica kunnen baat hebben bij het gebruik van alle drie bewegingsassen. Een sensor kan bewegingen in het X- en Y-vlak volgen om de rotatie van een wijzerplaat vast te stellen en kan vaststellen wanneer de wijzerplaat wordt ingedrukt door een grote verschuiving in de magnetische X- en Y-assen waar te nemen. Door de Z-as te bewaken kan het systeem foutieve uitlijningen opsporen en waarschuwingen verzenden voor slijtage of schade die de meetklok aan preventief onderhoud toe kan zijn.

Gimbal-motorsystemen in handheld camerastabilisatoren en drones profiteren van het gebruik van 3D Hall-effect sensoren met selecteerbare gevoeligheidsbereiken voor magnetisch veld en andere programmeerbare parameters om hoekmetingen te leveren aan een MCU (Afbeelding 4). De MCU past de motorpositie voortdurend aan om het platform te stabiliseren. Een sensor die nauwkeurig en precies hoeken kan meten in op- en off-axisposities biedt flexibiliteit bij het mechanisch ontwerp.

Afbeelding 4: Gimbal-motoren in handheld cameraplatforms en drones profiteren van 3D Hall-effect sensoren met selecteerbare gevoeligheidsbereiken voor magnetische velden. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Metingen buiten het vlak veroorzaken vaak verschillende magnetische veldsterkten (gains) en verschillende offsets in verschillende assen, wat fouten bij de berekening van de hoek kan veroorzaken. Het gebruik van een 3D Hall-sensor met versterkings- en offsetcorrecties ondersteunt de flexibiliteit bij het plaatsen van de sensor ten opzichte van de magneet, zodat de nauwkeurigste hoekberekeningen kunnen worden gemaakt.

Flexibele 3D Hall-effect sensoren

Texas Instruments biedt ontwerpers een selectie van lineaire Hall-effect sensoren met drie assen, waaronder de TMAG5170-familie van zeer nauwkeurige lineaire 3D Hall-effectsensoren met een 10 megahertz (MHz) seriële perifere interface (SPI) en cyclische redundantiecontrole (CRC), en; De TMAG5273-familie van lineaire 3D Hall-effect sensoren met laag stroomverbruik, met een I²C-interface en CRC.

De TMAG5170-apparaten zijn geoptimaliseerd voor snelle en nauwkeurige positiedetectie en omvatten: een totale lineaire meetfout van ±2,6% (maximum bij 25°C); een gevoeligheidstemperatuurdrift van ±2,8% (maximum), en een conversiesnelheid van 20 kilomonsters per seconde (Ksps) voor één as. TMAG7273-apparaten zijn voorzien van lage energie modi inclusief: 2,3 milliampère (mA) actieve modusstroom; 1 microampère (µA) ontwaak- en slaapmodusstroom, en; 5 nanoampère (nA) slaapmodusstroom. Deze IC's omvatten vier primaire functionele blokken (Afbeelding 5):

• Het blok Power Management & Oscillator omvat onderspannings- en overspanningsdetectie, biasing, en oscillatoren.
• Hallsensoren en bijbehorende voorspanning met multiplexers, ruisfilters, temperatuursensoren, een integratorschakeling en een analoog/digitaal-omzetter (ADC) vormen het blok voor detectie en temperatuurmeting.
• Het communicatiebesturingscircuit, de ESD-beveiliging (electrostatic discharge), de I/O-functies (input/output) en de CRC zijn opgenomen in het interfaceblok.
• De digitale kern bevat diagnostische circuits voor verplichte en door de gebruiker geactiveerde diagnostische controles, andere huishoudelijke functies en een geïntegreerde hoekberekeningsengine die informatie over de hoekpositie over 360° levert voor zowel hoekmetingen op de as als buiten de as.

Afbeelding 5: Met uitzondering van een SPI interface (zie boven) op de TMAG5170 modellen en een I²C interface op de TMAG5273 modellen, zijn de interne functionele blokken hetzelfde voor beide families van 3D Hall-effect sensor ICs. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De TMAG5170-apparaten worden geleverd in een 8-pins VSSOP-pakket van 3,00 x 3,00 millimeter (mm) en zijn gespecificeerd voor een omgevingstemperatuurbereik van -40 °C tot +150 °C. De TMAG5170A1 omvat gevoeligheidsbereiken van ±25 millitesla (mT), ±50 mT, en ±100 mT, terwijl de TMAG5170A2 ±75 mT, ±150 mT, en ±300 mT ondersteunt.

De TMAG5273-serie met laag stroomverbruik maakt gebruik van 6-pins DBV-pakketten van 2,90 x 1,60 mm en is gespecificeerd voor een omgevingstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C. Hij wordt ook aangeboden in twee verschillende modellen; de TMAG5273A1 met gevoeligheidsbereiken van ±40 mT en ±80 mT, en de TMAG5273A2 die ±133 mT en ±266 mT ondersteunt.

Twee door de gebruiker geselecteerde magnetische assen worden gebruikt voor hoekberekeningen. De invloed van mechanische foutenbronnen op het systeem wordt geminimaliseerd door magnetische versterkings- en offsetcorrecties. De ingebouwde temperatuurcompensatiefunctie kan worden gebruikt om temperatuurveranderingen in de magneet of de sensor onafhankelijk te compenseren. Deze 3D Hall-effect sensoren kunnen via de communicatie-interface worden geconfigureerd om door de gebruiker gecontroleerde combinaties van magnetische assen en temperatuurmetingen mogelijk te maken. De ALERT pin op de TMAG5170, of de INT pin op de TMAG5273, kan door een MCU gebruikt worden om een nieuwe sensor conversie te triggeren.

Evalbords helpen bij de start

Texas Instruments biedt ook twee eval boards aan, één voor de TMAG5170 serie en één voor de TMAG5273 serie, om elementaire functionele evaluaties mogelijk te maken (Afbeelding 6). De TMAG5170EVM bevat zowel de TMAG5170A1 als de TMAG5170A2 modellen op een snap-apart pc-bord. De TMAG5273EVM heeft de TMAG5273A1 en TMAG5273A2 modellen op een snap-apart pc-bord. Zij omvatten een sensorbesturingskaart die een interface heeft met de grafische gebruikersinterface (GUI) voor het bekijken en opslaan van metingen en het lezen en schrijven van registers. De 3D-geprinte draai-en-drukmodule wordt gebruikt om gangbare functies van hoekmetingen te testen.

Afbeelding 6: De TMAG5170EVM en de TMAG5273EVM bevatten beide een snap-apart bord met twee verschillende 3D Hall-effect sensor IC's (rechtsonder), een sensorbesturingsbord (linksonder), 3D-geprinte draai- en drukmodule (midden), en een USB-kabel voor de stroomvoorziening. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Afbeelding 7: Illustratie van de 3D-geprinte draai- en drukmodule die bovenop de EVM is gemonteerd. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Gebruik van de 3D Hall sensoren

Bij het gebruik van deze 3D Hall-effect positiesensoren moeten ontwerpers zich bewust zijn van een aantal uitvoeringsaspecten:

• De SPI-uitlezing van het resultatenregister in de TMAG5170, of de I²C uitlezing in de TMAG5273, moet gesynchroniseerd worden met de conversie update tijd om er zeker van te zijn dat de juiste data gelezen wordt. Het ALERT-signaal op de TMAG5170, of het INT signaal op de TMAG5273, kan worden gebruikt om de controller te informeren wanneer een conversie is voltooid en de data klaar is.
• Een ontkoppelingscondensator met lage inductie moet dicht bij de sensorpen worden geplaatst. Een keramische condensator met een waarde van ten minste 0,01 microfarads (μF) wordt aanbevolen.
• Deze Hall-effect sensoren kunnen worden ingebouwd in behuizingen van non-ferromaterialen zoals plastic of aluminium, met de detectiemagneten aan de buitenkant. Sensoren en magneten kunnen ook aan tegenovergestelde zijden van een printplaat worden geplaatst.

Conclusie

Met de groei van 3D-beweging en -besturing moeten ontwerpers nauwkeurige metingen in real-time kunnen uitvoeren, terwijl ze de kosten tot een minimum moeten beperken door een vereenvoudigd ontwerp, terwijl ook het stroomverbruik tot een minimum moet worden beperkt. De TMAG5170 en TMAG5273 geïntegreerde 3D Hall-effect sensoren pakken deze problemen aan en bieden de flexibiliteit van snelle samplesnelheden en lage latency voor nauwkeurige real-time controle, of langzame samplesnelheden om het stroomverbruik te minimaliseren in apparaten die op batterijen werken. Hoge nauwkeurigheid wordt verzekerd door de geïntegreerde algoritmen voor versterkings- en offsetcorrectie, gecombineerd met onafhankelijke temperatuurcorrectie voor de magneet en de sensor.

Aanbevolen leesmateriaal

1. De grondbeginselen van naderingssensoren: Hun selectie en gebruik in industriële automatisering
2. Waarom en hoe de seriële perifere interface gebruiken om verbindingen tussen meerdere apparaten te vereenvoudigen