การใช้การตรวจจับตำแหน่งสามมิติ (3D) สำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์กำลังเติบโตขึ้นในการใช้งานต่าง ๆ ในอุตสาหกรรม 4.0 ตั้งแต่หุ่นยนต์อุตสาหกรรมและระบบอัตโนมัติไปจนถึงหุ่นยนต์ดูดฝุ่นและความปลอดภัย เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ 3D Hall เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ด้วยความสามารถในการทำงานซ้ำและมีความน่าเชื่อถือสูง และยังสามารถใช้กับหน้าต่าง ประตู และกล่องหุ้มสำหรับการตรวจจับการบุกรุกหรือการตรวจจับการงัดแงะด้วยแม่เหล็ก
ถึงกระนั้น การออกแบบระบบตรวจจับ 3D ที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัยโดยใช้เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ Hall อาจเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ Hall จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่มีพลังมากพอที่จะทำหน้าที่เป็นกลไกคำนวณมุมและทำการหาค่าเฉลี่ยของการวัด รวมถึงการชดเชยเกนและออฟเซ็ตเพื่อกำหนดทิศทางของแม่เหล็กและตำแหน่ง 3 มิติ MCU ยังต้องจัดการกับการวินิจฉัยที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบสนามแม่เหล็ก อุณหภูมิของระบบ การสื่อสาร ความต่อเนื่อง เส้นทางสัญญาณภายใน และแหล่งจ่ายไฟ
นอกเหนือจากการออกแบบฮาร์ดแวร์แล้ว การพัฒนาซอฟต์แวร์อาจซับซ้อนและใช้เวลานาน ทำให้เวลาในการออกสู่ตลาดล่าช้าไปอีก
เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ นักออกแบบสามารถใช้ไอซีเซ็นเซอร์ตำแหน่ง 3 มิติของฮอลล์เอฟเฟกต์แบบบูรณาการกับเครื่องคำนวณภายในตัวเซนเซอร์ได้ ไอซีเหล่านี้ทำให้การออกแบบซอฟต์แวร์ง่ายขึ้นและลดภาระการทำงานของตัวประมวลผลระบบได้มากถึง 25% ทำให้สามารถใช้ MCU ทั่วไปในราคาที่ประหยัดได้ นอกจากนี้ยังสามารถให้อัตราการสุ่มตัวอย่างที่รวดเร็วและมีเวลาแฝงต่ำเพื่อการควบคุมแบบเรียลไทม์ที่แม่นยำ ในอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ 3D Hall สามารถทำงานได้โดยมีรอบการทำงาน 5 เฮิรตซ์ (Hz) หรือน้อยกว่าเพื่อลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุด นอกจากนี้ ฟังก์ชันและการวินิจฉัยแบบบูรณาการยังช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบและความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบ
บทความนี้ทบทวนพื้นฐานของเซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ 3D Hall และอธิบายการใช้งานในหุ่นยนต์ การตรวจจับการงัดแงะ การควบคุมอินเทอร์เฟซของมนุษย์ และระบบมอเตอร์กิมบอล จากนั้นจะนำเสนอตัวอย่างเซนเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ฮอลล์ 3D เชิงเส้นตรงที่มีความแม่นยำสูงจาก Texas Instruments พร้อมด้วยบอร์ดประเมินผลที่เกี่ยวข้องและแนวทางการนำไปใช้เพื่อเร่งกระบวนการพัฒนา
เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall คืออะไร?
เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall สามารถรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กที่สมบูรณ์ ทำให้สามารถใช้การวัดระยะทางและเชิงมุมสำหรับการกำหนดตำแหน่งในสภาพแวดล้อม 3 มิติได้ ตำแหน่งที่พบบ่อยที่สุดสองตำแหน่งสำหรับเซ็นเซอร์เหล่านี้คือแบบแกนและแบบระนาบร่วมกับโพลาไรซ์แม่เหล็ก (รูปที่ 1) เมื่อวางบนแกนของโพลาไรซ์ สนามจะให้อินพุตแบบทิศทางเดียวไปยังเซนเซอร์ที่สามารถใช้สำหรับการกำหนดตำแหน่งได้ การวางตำแหน่ง Coplanar ทำให้เกิดเวกเตอร์สนามที่ขนานกับหน้าแม่เหล็กโดยไม่คำนึงถึงช่วงของเซนเซอร์ และยังช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่งและมุมได้
ระบบอุตสาหกรรม 4.0 เช่น หุ่นยนต์ จำเป็นต้องมีการตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบหลายแกนเพื่อวัดมุมของแขนหุ่นยนต์ หรือที่ล้อแต่ละล้อของหุ่นยนต์เคลื่อนที่เพื่อรองรับการนำทางและการเคลื่อนไหวที่แม่นยำทั่วทั้งโรงงาน เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall ที่มาพร้อมตัวอุปกรณ์จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานเหล่านี้ เนื่องจากไม่ไวต่อความชื้นหรือสิ่งสกปรก การวัด Coplanar ให้การวัดสนามแม่เหล็กของเพลาหมุนที่มีความแม่นยำสูง (รูปที่ 2)
โครงสร้างภายนอกที่ปลอดภัย เช่น มิเตอร์ไฟฟ้าและก๊าซ เครื่องถอนเงินอัตโนมัติ (ATM) เซิร์ฟเวอร์องค์กร และอุปกรณ์จุดขายอิเล็กทรอนิกส์ สามารถใช้การวัดภาคสนามบนแกนเพื่อตรวจจับการบุกรุก (รูปที่ 3) เมื่อเปิดเคส ความหนาแน่นของฟลักซ์ (B) ที่ตรวจจับโดยเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall จะลดลงจนกระทั่งตกลงต่ำกว่าจุดปล่อยฟลักซ์ (BRP) ข้อกำหนดของสวิตช์ Hall ซึ่งเวลาที่เซ็นเซอร์ส่งการแจ้งเตือน เมื่อปิดเคส ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กจะต้องมากเพียงพอเมื่อเทียบกับ BRP เพื่อป้องกันการแจ้งเตือนที่ผิดพลาด เนื่องจากความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กมีแนวโน้มลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การใช้เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall พร้อมความสามารถในการชดเชยอุณหภูมิสามารถปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบสำหรับเปลือกที่ใช้ในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมหรือกลางแจ้ง
อินเทอร์เฟซและการควบคุมมนุษย์ที่มีอยู่ในเครื่องใช้ในบ้าน อุปกรณ์ทดสอบและวัด และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนบุคคลสามารถใช้ประโยชน์จากการเคลื่อนไหวทั้งสามแกนได้ เซ็นเซอร์สามารถตรวจสอบการเคลื่อนไหวในระนาบ X และ Y เพื่อระบุการหมุนของแป้นหมุน และสามารถระบุได้ว่าเมื่อใดที่แป้นหมุนถูกกดโดยการตรวจสอบการเลื่อนขนาดใหญ่ในแกนแม่เหล็ก X และ Y การตรวจสอบแกน Z ช่วยให้ระบบสามารถระบุแนวที่ไม่ตรง และส่งการแจ้งเตือนเมื่อพบการสึกหรอหรือความเสียหายที่หน้าปัดซึ่งอาจจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาเชิงป้องกันอีกด้วย
ระบบมอเตอร์ Gimbal ในตัวกันสั่นของกล้องมือถือและโดรนได้ประโยชน์จากการใช้เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall ที่มีช่วงความไวของสนามแม่เหล็กที่เลือกได้และพารามิเตอร์ที่ตั้งโปรแกรมได้อื่น ๆ เพื่อให้การวัดมุมกับ MCU (รูปที่ 4) MCU จะปรับตำแหน่งมอเตอร์อย่างต่อเนื่องตามความจำเป็นเพื่อทำให้แพลตฟอร์มมีเสถียรภาพ เซ็นเซอร์ที่สามารถวัดมุมในตำแหน่งเปิดและนอกแกนได้อย่างแม่นยำและแม่นยำ มอบความยืดหยุ่นในการออกแบบกลไก
การวัดนอกระนาบมักทำให้เกิดความแรงของสนามแม่เหล็ก (เกน) ที่แตกต่างกัน และการชดเชยที่แตกต่างกันในแกนที่ต่างกัน ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการคำนวณมุมได้ การใช้เซ็นเซอร์ 3D Hall ที่มีการแก้ไขเกนและออฟเซ็ตช่วยรองรับความยืดหยุ่นเมื่อวางเซ็นเซอร์โดยสัมพันธ์กับแม่เหล็ก เพื่อให้มั่นใจว่าการคำนวณมุมที่แม่นยำที่สุด
เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall ที่ยืดหยุ่น
เครื่องมือ Texas นำเสนอเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์เชิงเส้นแบบสามแกนที่คัดสรรมาเป็นอย่างดีให้กับนักออกแบบ ซึ่งรวมถึงตระกูล TMAG5170 เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ฮอลล์เอฟเฟกต์ 3D เชิงเส้นตรงที่มีความแม่นยำสูง พร้อมด้วยอินเทอร์เฟซต่อพ่วงอนุกรม (SPI) 10 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) และการตรวจสอบความซ้ำซ้อนแบบวนซ้ำ (CRC) และ; TMAG5273 ตระกูลเซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall เชิงเส้นตรงที่ใช้พลังงานต่ำพร้อมอินเทอร์เฟซ I²C และ CRC
อุปกรณ์ TMAG5170 ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการตรวจจับตำแหน่งที่รวดเร็วและแม่นยำ รวมถึง: ข้อผิดพลาดรวมของการวัดเชิงเส้นที่ ±2.6% (สูงสุดที่ 25°C); ค่าความไวของอุณหภูมิ ±2.8% (สูงสุด) และ อัตราการแปลง 20 กิโลกรัมต่อวินาที (Ksps) สำหรับแกนเดียว อุปกรณ์ TMAG7273 มีโหมดพลังงานต่ำ ได้แก่ กระแสไฟโหมดแอ็คทีฟ 2.3 มิลลิแอมป์ (mA) กระแสไฟปลุกและโหมดสลีป 1 ไมโครแอมแปร์ (µA) และ กระแสไฟโหมดสลีป 5 นาโนแอมแปร์ (nA) ไอซีเหล่านี้ประกอบด้วยสี่บล็อกการทำงานหลัก (รูปที่ 5):
- บล็อกการจัดการพลังงานและออสซิลเลเตอร์ประกอบด้วยการตรวจจับแรงดันไฟเกินและแรงดันไฟเกิน การให้น้ำหนัก และออสซิลเลเตอร์
- เซนเซอร์ Hall และการให้น้ำหนักที่เกี่ยวข้องกับมัลติเพล็กเซอร์ ตัวกรองสัญญาณรบกวน การตรวจจับอุณหภูมิ วงจรรวม และตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) ประกอบขึ้นเป็นบล็อกการตรวจจับและการวัดอุณหภูมิ
- วงจรควบคุมการสื่อสาร การป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD) ฟังก์ชันอินพุต/เอาต์พุต (I/O) และ CRC รวมอยู่ในบล็อกอินเทอร์เฟซ
- Digital Core ประกอบด้วยวงจรการวินิจฉัยสำหรับการตรวจสอบวินิจฉัยบังคับและเปิดใช้งานโดยผู้ใช้ ฟังก์ชันการดูแลทำความสะอาดอื่น ๆ และเครื่องมือคำนวณมุมในตัวที่ให้ข้อมูลตำแหน่งเชิงมุม 360° สำหรับการวัดมุมทั้งบนแกนและนอกแกน
อุปกรณ์ TMAG5170 จัดส่งในแพ็คเกจ VSSOP 8 พิน ขนาด 3.00 x 3.00 มม. (มม.) และระบุไว้ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อม -40°C ถึง +150°C TMAG5170A1 รวมถึงช่วงความไว ±25 มิลลิเตสลา (mT), ±50 mT และ ±100 mT ในขณะที่ TMAG5170A2 รองรับช่วงความไว ±75 mT, ±150 mT และ ±300 mT
ตระกูล TMAG5273 ที่ใช้พลังงานต่ำใช้แพ็คเกจ DBV 6 พินที่มีขนาด 2.90 x 1.60 มม. และกำหนดไว้ในช่วงอุณหภูมิแวดล้อมตั้งแต่ –40°C ถึง +125°C นอกจากนี้ยังมีให้ในสองรุ่นที่แตกต่างกัน TMAG5273A1 ด้วยช่วงความไว ±40 mT และ ±80 mT และTMAG5273A2 ที่รองรับ ±133 mT และ ±266 mT
แกนแม่เหล็กที่ผู้ใช้เลือกสองอันใช้สำหรับการคำนวณมุม ผลกระทบของแหล่งข้อผิดพลาดทางกลไกของระบบจะลดลงด้วยอัตราขยายแม่เหล็กและการแก้ไขออฟเซ็ต ฟังก์ชันชดเชยอุณหภูมิออนบอร์ดสามารถใช้เพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแม่เหล็กหรือเซ็นเซอร์ได้อย่างอิสระ เซ็นเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall เหล่านี้สามารถกำหนดค่าได้ผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสาร เพื่อให้สามารถรวมแกนแม่เหล็กและการวัดอุณหภูมิที่ผู้ใช้ควบคุมได้ MCU สามารถใช้หมุด ALERT บน TMAG5170 หรือพิน INT บน TMAG5273 เพื่อกระตุ้นการแปลงเซ็นเซอร์ใหม่
กระดานประเมินผลช่วยในการเริ่มต้น
Texas Instruments ยังมีบอร์ด eval สองบอร์ด บอร์ดที่หนึ่งสำหรับTMAG5170 ซีรีส์และอีกบอร์ดหนึ่งสำหรับTMAG5273 อนุกรม เพื่อให้สามารถประเมินการทำงานขั้นพื้นฐานได้ (รูปที่ 6) TMAG5170EVM มีทั้งรุ่น TMAG5170A1 และ TMAG5170A2 บนบอร์ดพีซีที่มาแบบแยกประกอบ TMAG5273EVM มีรุ่น TMAG5273A1 และ TMAG5273A2 บนบอร์ดพีซีที่มาแบบแยกประกอบ ประกอบด้วยแผงควบคุมเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับส่วนต่อประสานกราฟิกกับผู้ใช้ (GUI) เพื่อดูและบันทึกการวัดและอ่านและเขียนรีจิสเตอร์ โมดูลหมุนและกดที่พิมพ์ 3 มิติใช้เพื่อทดสอบฟังก์ชันทั่วไปของการวัดเชิงมุม
การใช้เซ็นเซอร์ 3D Hall
มีข้อควรพิจารณาในการใช้งานบางประการที่นักออกแบบต้องระวังเมื่อใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งเอฟเฟกต์ 3D Hall:
- การอ่านข้อมูล SPI ของการลงทะเบียนผลลัพธ์ใน TMAG5170 หรือการอ่านข้อมูล I²C ใน TMAG5273 จะต้องซิงโครไนซ์กับเวลาอัปเดตการแปลงเพื่อให้แน่ใจว่าได้อ่านข้อมูลที่ถูกต้อง สัญญาณ ALERT บน TMAG5170 หรือสัญญาณ INT บน TMAG5273 สามารถใช้เพื่อแจ้งตัวควบคุมเมื่อการแปลงเสร็จสิ้นและข้อมูลพร้อม
- ต้องวางตัวเก็บประจุดีคัปปลิ้งความเหนี่ยวนำต่ำไว้ใกล้กับพินเซ็นเซอร์ ขอแนะนำให้ใช้ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกที่มีค่าอย่างน้อย 0.01 ไมโครฟารัด (μF)
- เซนเซอร์ Hall Effect เหล่านี้สามารถฝังอยู่ภายในตัวเครื่องที่ทำจากวัสดุที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น พลาสติกหรืออะลูมิเนียม โดยมีแม่เหล็กตรวจจับอยู่ด้านนอก เซ็นเซอร์และแม่เหล็กสามารถวางที่ด้านตรงข้ามของบอร์ดพีซีได้
บทสรุป
ด้วยการเติบโตของการเคลื่อนไหวและการควบคุม 3 มิติ นักออกแบบจำเป็นต้องได้รับการวัดที่แม่นยำในแบบเรียลไทม์ ในขณะที่รักษาต้นทุนให้เหลือน้อยที่สุดด้วยการออกแบบที่เรียบง่าย ในขณะเดียวกันก็ลดการใช้พลังงานลงด้วย ดังที่แสดงไว้ TMAG5170 และ TMAG5273 เซนเซอร์เอฟเฟกต์ 3D Hall ที่ผสานรวมเข้ากับปัญหาเหล่านี้ โดยให้ความยืดหยุ่นของอัตราการสุ่มตัวอย่างที่รวดเร็วและเวลาแฝงต่ำสำหรับการควบคุมแบบเรียลไทม์ที่แม่นยำ หรืออัตราตัวอย่างที่ช้าเพื่อลดการใช้พลังงานในอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ มั่นใจได้ถึงความแม่นยำสูงด้วยอัลกอริธึมการแก้ไขค่าเกนและค่าชดเชยแบบบูรณาการ รวมกับการแก้ไขอุณหภูมิที่เป็นอิสระสำหรับแม่เหล็กและเซ็นเซอร์
บทความแนะนำ
- พื้นฐานของพรอกซิมิตี้เซนเซอร์: การเลือกและการใช้งานในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
- เหตุใดและวิธีการใช้อินเทอร์เฟซอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรมเพื่อลดความซับซ้อนในการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์หลายเครื่อง
Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.