Jak dosáhnout rychlého a přesného snímání polohy s nízkou spotřebou energie pro řízení v reálném čase

Využití trojrozměrného (3D) snímání polohy pro řízení v reálném čase roste v celé řadě aplikací Průmyslu 4.0 od průmyslových robotů a automatizovaných systémů po robotické vysavače a zabezpečení. 3D senzory polohy s Hallovým efektem jsou pro tyto aplikace dobrou volbou, protože poskytují vysokou opakovatelnost a spolehlivost a lze je také použít s okny, dveřmi a kryty pro detekci vniknutí nebo magnetickou detekci neoprávněné manipulace.

Přesto může být návrh efektivního a bezpečného 3D snímacího systému s využitím Hallova senzoru složitým a časově náročným procesem. Senzor s Hallovým efektem potřebuje rozhraní s mikrokontrolérem (MCU), který je dostatečně výkonný, aby fungoval jako modul pro výpočet úhlu a prováděl průměrování měření stejně jako kompenzaci zisku a offsetu pro určení orientace a 3D poloh magnetu. MCU také potřebuje zvládnout různé diagnostiky včetně monitorování magnetického pole, teploty systému, komunikace, kontinuity, vnitřní cesty signálu a napájení.

Kromě návrhu hardwaru může být i vývoj softwaru složitý a časově náročný, což dále zpožďuje dobu do uvedení na trh.

K řešení těchto problémů mohou konstruktéři použít integrované obvody integrovaných 3D senzorů polohy s Hallovým efektem s interním výpočetním modulem. Tyto integrované obvody zjednodušují návrh softwaru a snižují zatížení systémového procesoru až o 25 %, což umožňuje použít levný MCU pro všeobecné použití. Mohou také poskytovat rychlé vzorkovací frekvence a nízkou latenci pro přesné řízení v reálném čase. V bateriově napájených zařízeních mohou být 3D senzory polohy s Hallovým efektem provozovány s pracovními cykly 5 Hz nebo méně, aby se minimalizovala spotřeba energie. Integrované funkce a diagnostika navíc maximalizují flexibilitu návrhu a bezpečnost i spolehlivost systému.

V tomto článku jsou shrnuty základy 3D senzorů polohy s Hallovým efektem a je popsáno jejich použití v robotice, detekci neoprávněné manipulace, ovládání rozhraní s člověkem a systémech motorů gimbalů. Dále jsou zde uvedeny příklady vysoce přesných lineárních 3D senzorů polohy s Hallovým efektem od společnosti Texas Instruments spolu se souvisejícími vyhodnocovacími deskami a pokyny k implementaci pro urychlení procesu vývoje.

Co jsou 3D senzory s Hallovým efektem?

3D senzory s Hallovým efektem mohou shromažďovat informace o kompletním magnetickém poli, což umožňuje použít měření vzdálenosti a úhlu pro určování polohy ve 3D prostředích. Dvě nejběžnější umístění těchto senzorů jsou na ose a koplanární s magnetickou polarizací (obrázek 1). Při umístění na ose polarizace poskytuje pole jednosměrný vstup do senzoru, který lze použít k určení polohy. Koplanární umístění vytváří vektor pole, který je rovnoběžný s povrchem magnetu bez ohledu na dosah senzoru, což také umožňuje určení polohy a úhlu.

Obrázek 1: 3D senzory polohy s Hallovým efektem lze umístit na osu nebo koplanárně k magnetickému poli pro měření vzdálenosti a úhlového pohybu. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Systémy Průmyslu 4.0, jako jsou roboti, potřebují k měření úhlu robotických ramen nebo na každém kole mobilních robotů víceosé snímání pohybu, aby podporovaly navigaci a přesný pohyb po celém závodě. Integrované 3D senzory s Hallovým efektem jsou pro tyto úkoly vhodné, protože nejsou náchylné na vlhkost ani nečistoty. Koplanární měření poskytují vysoce přesná měření magnetického pole rotujících hřídelů (obrázek 2).

Obrázek 2: Integrované 3D senzory s Hallovým efektem mohou měřit rotaci hřídele v robotech a dalších aplikacích Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Bezpečnostní kryty, jako mají elektroměry a plynoměry, bankomaty (ATM), podnikové servery a elektronické pokladní terminály, mohou k detekci narušení používat měření v terénu na ose (obrázek 3). Když se pouzdro otevře, hustota toku (B) snímaná 3D senzorem s Hallovým efektem klesá, dokud neklesne pod bod uvolňování toku (B_RP) specifikace Hallova senzoru. V této chvíle vyšle senzor výstrahu. Když se pouzdro uzavře, hustota magnetického toku musí být dostatečně velká vzhledem k B_RP, aby se zabránilo falešným poplachům. Vzhledem k tomu, že hustota magnetického toku má tendenci se s rostoucí teplotou snižovat, použití 3D senzoru s Hallovým efektem se schopností teplotní kompenzace může pro kryty používané v průmyslovém nebo venkovním prostředí zlepšit spolehlivost systému.

Obrázek 3: Detekce neoprávněné manipulace s krytem může být k identifikaci neoprávněného přístupu implementována pomocí 3D senzorů s Hallovým efektem. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Rozhraní s člověkem a ovládací prvky v domácích spotřebičích, testovacích a měřicích zařízeních a osobní elektronice mohou využívat výhod použití všech tří os pohybu. Senzor může monitorovat pohyb v rovinách X a Y, aby identifikoval rotaci číselníku, a sledováním velkého posunu v magnetických osách X a Y dokáže identifikovat, kdy je číselník stlačen. Sledování osy Z umožňuje systému identifikovat vyosení a odesílat upozornění na opotřebení nebo poškození, že číselník může vyžadovat preventivní údržbu.

Systémy motorů gimbalů v ručních kamerových stabilizátorech a dronech využívají výhod použití 3D senzorů s Hallovým efektem s volitelnými rozsahy citlivosti magnetického pole a dalšími programovatelnými parametry k zajištění měření úhlu k MCU (obrázek 4). MCU podle potřeby průběžně upravuje polohu motoru ke stabilizaci platformy. Senzor, který dokáže přesně měřit úhly v poloze osy i mimo osu, poskytuje flexibilitu mechanického návrhu.

Obrázek 4: Motory gimbalů v ručních platformách kamer a v dronech využívají výhod 3D senzorů s Hallovým efektem s volitelnými rozsahy citlivosti magnetického pole. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Měření mimo rovinu často způsobují různé intenzity magnetického pole (zisky) a různé offsety v různých osách, což může způsobit chyby ve výpočtu úhlu. Použití 3D senzoru s Hallovým efektem s korekcemi zisku a offsetu podporuje flexibilitu při umístění senzoru vzhledem k magnetu a zajišťuje nejpřesnější výpočty úhlů.

Flexibilní 3D senzory s Hallovým efektem

Společnost Texas Instruments nabízí konstruktérům výběr tříosých lineárních senzorů s Hallovým efektem včetně řady vysoce přesných 3D lineárních senzorů s Hallovým efektem TMAG5170 s 10MHz sériovým periferním rozhraním („serial peripheral interface“, SPI) a cyklickou kontrolou redundance („cyclic redundancy check“, CRC). Řada TMAG5273 lineárních 3D senzorů s Hallovým efektem s nízkou spotřebou energie má rozhraní I²C a funkci kontroly CRC.

Zařízení TMAG5170 jsou optimalizována pro rychlé a přesné snímání polohy a zahrnují: celkovou chybu lineárního měření ±2,6 % (maximálně při 25 °C), teplotní drift citlivosti ±2,8 % (maximum) a rychlost převodu 20 tisíc vzorků za sekundu (kS/s) pro jednu osu. Zařízení TMAG7273 se vyznačují režimy nízké spotřeby energie včetně proudu v aktivním režimu 2,3 mA, proudu pro buzení a režim spánku 1 µA a proudu v režimu spánku 5nA. Tyto integrované obvody obsahují čtyři primární funkční bloky (obrázek 5):

• Blok řízení spotřeby energie a oscilátoru zahrnuje detekci podpětí a přepětí, předpětí a oscilátory.
• Hallovy senzory a související předpětí s multiplexery, šumovými filtry, snímáním teploty, integračním obvodem a analogově-digitálním převodníkem (ADC) tvoří blok snímání a měření teploty.
• V bloku rozhraní jsou zahrnuty řídicí obvody komunikace, ochrana před elektrostatickým výbojem („electrostatic discharge“, ESD), funkce vstupů/výstupů (I/O) a CRC.
• Digitální jádro obsahuje diagnostické obvody pro povinné a uživatelem aktivované diagnostické kontroly, další funkce pro vnitřní údržbu a integrovaný modul výpočtu úhlu, který poskytuje informace o 360° úhlové poloze pro měření úhlu na ose i mimo osu.

Obrázek 5: S výjimkou rozhraní SPI (zobrazeno výše) u modelů TMAG5170 a rozhraní I²C u modelů TMAG5273 jsou vnitřní funkční bloky stejné pro obě řady integrovaných obvodů 3D senzorů s Hallovým efektem. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Zařízení TMAG5170 se dodávají v 8pinovém pouzdru VSSOP o rozměrech 3,00 × 3,00 mm a jsou určeny pro rozsah okolních teplot −40 °C až +150 °C. Model TMAG5170A1 zahrnuje rozsahy citlivosti ±25 mT, ±50 mT a ±100 mT, zatímco model TMAG5170A2 podporuje ±75 mT, ±150 mT a ±300 mT.

Řada TMAG5273 s nízkou spotřebou energie používá 6pinová pouzdra DBV o rozměrech 2,90 × 1,60 mm a je určena pro rozsah okolních teplot −40 °C až +125 °C. Je také nabízena ve dvou různých modelech – modelu TMAG5273A1 s rozsahem citlivosti ±40 mT a ±80 mT a modelu TMAG5273A2, který podporuje ±133 mT a ±266 mT.

Pro výpočty úhlů se používají dvě uživatelem zvolené magnetické osy. Vliv zdrojů systémových mechanických chyb je minimalizován pomocí korekcí magnetického zisku a offsetu. Integrovaná funkce teplotní kompenzace může být použita k nezávislé kompenzaci teplotních změn v magnetu nebo senzoru. Tyto 3D senzory s Hallovým efektem lze konfigurovat prostřednictvím komunikačního rozhraní tak, aby umožňovaly uživatelem řízené kombinace magnetických os a měření teploty. Ke spuštění převodu nového senzoru může MCU použít na modelu TMAG5170 pin ALERT nebo na modelu TMAG5273 pin INT.

Pomoc do začátku v podobě vyhodnocovacích desek

Společnost Texas Instruments také nabízí dvě vyhodnocovací desky, jednu pro řadu TMAG5170 a jednu pro řadu TMAG5273, aby bylo možné provést základní funkční vyhodnocení (obrázek 6). Deska TMAG5170EVM obsahuje na odnímatelné desce plošných spojů oba modely TMAG5170A1 a TMAG5170A2. Deska TMAG5273EVM má na odnímatelné desce plošných spojů modely TMAG5273A1 a TMAG5273A2. Desky zahrnují řídicí desku senzoru, která je propojena s grafickým uživatelským rozhraním („graphic user interface“, GUI) pro prohlížení a ukládání měření a čtení a zápis do registrů. K testování běžných funkcí úhlového měření se používá 3D tištěný modul otáčení a posunu.

Obrázek 6: Obě vyhodnocovací desky TMAG5170EVM a TMAG5273EVM obsahují odnímatelnou desku se dvěma různými integrovanými obvody 3D senzorů s Hallovým efektem (vpravo dole), řídicí desku senzoru (vlevo dole), 3D tištěný modul otáčení a posunu (uprostřed) a USB kabel pro napájení. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Obrázek 7: Ilustrace 3D tištěného modulu otáčení a posunu namontovaného na horní části desky EVM. (Zdroj obrázku: společnost Texas Instruments)

Použití 3D Hallových senzorů

Existuje několik aspektů implementace, kterých si musí být konstruktéři při používání těchto 3D senzorů polohy s Hallovým efektem vědomi:

• Čtení SPI z registru výsledků v modelu TMAG5170 nebo čtení I²C v modelu TMAG5273 je třeba synchronizovat s časem aktualizace převodu, aby bylo zajištěno čtení správných dat. Signál ALERT v modelu TMAG5170 nebo signál INT v modelu TMAG5273 lze použít k upozornění řídicí jednotky, když se převod dokončí a jsou připravena data.
• Nízkoindukční oddělovací kondenzátor musí být umístěn v blízkosti pinu senzoru. Doporučuje se keramický kondenzátor s hodnotou alespoň 0,01 μF.
• Tyto senzory s Hallovým efektem lze zabudovat do krytů vyrobených z neželezných materiálů, jako je plast nebo hliník, se snímacími magnety na vnější straně. Senzory a magnety lze také umístit na opačné strany desky plošných spojů.

Závěr

S nárůstem 3D pohybu a ovládání potřebují konstruktéři získat přesná měření v reálném čase a zároveň udržet náklady na minimu prostřednictvím zjednodušeného návrhu a současně také minimalizovat spotřebu energie. Jak je zde ukázáno, integrované 3D senzory s Hallovým efektem TMAG5170 a TMAG5273 tyto problémy řeší. Nabízejí flexibilitu rychlých vzorkovacích frekvencí a nízkou latenci pro přesné řízení v reálném čase nebo pomalé vzorkovací frekvence pro minimalizaci spotřeby energie v bateriově napájených zařízeních. Vysoká přesnost je zajištěna integrovanými korekčními algoritmy zisku a offsetu v kombinaci s nezávislou teplotní korekcí pro magnet a senzor.

Doporučeno k přečtení

1. Základy snímačů přiblížení: jejich výběr a používání v průmyslové automatizaci
2. Proč a jak používat sériové periferní rozhraní ke zjednodušení připojení mezi více zařízeními