【導讀】本文將回顧 3D 霍爾效應位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機器人、篡改檢測、人機接口控制和萬(wàn)向電機系統中的應用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線(xiàn)性 3D 霍爾效應位置傳感器為例，介紹相關(guān)的評估板及其應用指導，從而加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。如果您對3D霍爾效應傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會(huì )有所幫助。
文章概述
本文將回顧 3D 霍爾效應位置傳感器的基本原理，介紹這種傳感器在機器人、篡改檢測、人機接口控制和萬(wàn)向電機系統中的應用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線(xiàn)性 3D 霍爾效應位置傳感器為例，介紹相關(guān)的評估板及其應用指導，從而加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程。如果您對3D霍爾效應傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會(huì )有所幫助。
在各種工業(yè) 4.0 應用中，通過(guò) 3D 位置檢測進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的情況越來(lái)越多，從工業(yè)機器人、自動(dòng)化系統到機器人真空和安防。3D 霍爾效應位置傳感器無(wú)疑是這些應用的極好選擇，因為這種傳感器具有很高的重復性和可靠性，而且還可與門(mén)窗、外殼組合，用于入侵或磁力破壞探測。
3D感測系統的設計挑戰與解決方案
使用霍爾效應傳感器設計有效、安全的 3D 感測系統可能是一個(gè)復雜、耗時(shí)的過(guò)程?；魻栃獋鞲衅餍枰c一個(gè)功能強大的微控制器 (MCU) 連接，作為角度計算引擎并執行測量平均化，以及增益和失調補償，以確定磁鐵的方向和 3D 位置。MCU 還需要執行各種診斷功能，包括監測磁場(chǎng)、系統溫度、通信、連續性、內部信號路徑和電源。
除了硬件設計外，軟件開(kāi)發(fā)也可能是一個(gè)復雜而耗時(shí)的過(guò)程，從而再一次拖延產(chǎn)品上市時(shí)間。
什么是 3D 霍爾效應傳感器？
諸如機器人之類(lèi)的工業(yè) 4.0 系統，需要通過(guò)多軸運動(dòng)檢測來(lái)測量機器人手臂的角度，或在移動(dòng)機器人的每個(gè)滾輪上進(jìn)行多軸檢測，以支持整個(gè)在設施內的導航和精確運動(dòng)。集成 3D 霍爾效應傳感器非常適用于這些任務(wù)，因為它們不容易受潮濕或灰塵的影響。使用共面測量法，可對旋轉軸磁場(chǎng)進(jìn)行高度精確的測量（圖 2）。
圖 2：集成 3D 霍爾效應傳感器可以測量機器人和其他工業(yè) 4.0 應用中的軸旋轉。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
諸如電表和煤氣表、自動(dòng)取款機 (ATM)、企業(yè)服務(wù)器和收銀機的安全外殼可以通過(guò)軸上磁場(chǎng)測量進(jìn)行入侵檢測（圖 3）。當外殼被打開(kāi)時(shí)，3D 霍爾效應傳感器會(huì )檢測到的磁通密度 (B) 下降，并且當磁通密度下降至低于霍爾開(kāi)關(guān)的磁通釋放點(diǎn) (BRP) 點(diǎn)時(shí)，霍爾效應傳感器發(fā)出警報。為了在關(guān)閉外殼時(shí)防止誤報警，必須保持磁通密度必須足夠大（相對于 BRP 來(lái)說(shuō)）。由于磁鐵的磁通密度往往會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低，因此使用具有溫度補償功能的 3D 霍爾效應傳感器可以提高工業(yè)或戶(hù)外環(huán)境中設備外殼的系統可靠性。
所有三個(gè)運動(dòng)軸都有益于家用電器、測試和測量設備以及個(gè)人電子產(chǎn)品中的人機界面和控制。一個(gè)傳感器可以監視 X 和 Y 平面內的運動(dòng)，以識別轉盤(pán)的旋轉，并且可以通過(guò)監視 X 和 Y 磁軸的大幅移動(dòng)來(lái)識別轉盤(pán)何時(shí)被推動(dòng)。監視 Z 軸可實(shí)現系統能夠識別是否錯位，并在轉盤(pán)因為磨損或損壞可能需要預防性維護時(shí)發(fā)出警報。
手持式相機穩定器和無(wú)人機中的萬(wàn)向電機系統都得益于使用3D 霍爾效應傳感器，這種傳感器具有多個(gè)磁場(chǎng)靈敏度范圍和其他可編程參數，可向 MCU 提供角度測量值（圖 4）。MCU會(huì )根據需要不斷調節電機位置以穩定平臺。一個(gè)能準確無(wú)誤地測量在軸和偏軸位置角度的傳感器可提高機械設計的靈活性。
柔性 3D 霍爾效應傳感器
Texas instruments 為設計者提供了一系列三軸線(xiàn)性霍爾效應傳感器，包括TMAG5170 系列高精度 3D 線(xiàn)性霍爾效應傳感器和 TMAG5273 系列低功率線(xiàn)性 3D 霍爾效應傳感器，兩者均具有循環(huán)冗余校驗功能 (CRC)，但 前者采用 10 MHz 串行外設接口 (SPI)，后者采用 I2C 接口。
電源管理和振蕩器功能塊包括欠壓和過(guò)壓檢測、偏置和振蕩器。 霍爾傳感器、相關(guān)偏置以及多路復用器、噪聲濾波器、溫度檢測、積分電路和模數轉換器 (ADC) 組成了檢測、溫度測量功能塊。 通信控制電路、靜電放電 (ESD) 保護、輸入/輸出 (I/O) 功能和 CRC 均包含在接口功能塊中。 數字內核包括診斷電路和集成角度計算引擎，前者用于強制性和由用戶(hù)啟用的診斷檢查功能以及其他內部管理功能，后者用于為在軸和偏軸角度測量提供 360° 角位置信息。
圖 5：TMAG5170 型號器件和 TMAG5273 型號器件除了分別采用 SPI 接口（如上圖所示）和 I2C 接口外，其所用 3D 霍爾效應傳感器 IC 的內部功能模塊是相同的。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
圖 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一塊具有兩個(gè)不同的 3D 霍爾效應傳感器 IC 的快裝電路板（右下），一個(gè)傳感器控制板（左下），通過(guò) 3D 打印制造的旋轉和推動(dòng)模塊（中間）以及一根 USB 電源電纜。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
圖 7：安裝在 EVM 頂部的 3D 打印旋轉和推動(dòng)模塊插圖。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
3D 霍爾傳感器應用指導
TMAG5170 的結果寄存器的 SPI 讀數或者 TMAG5273 的I2C 讀數需要與轉換更新時(shí)間同步，以確保讀取正確的數據。TMAG5170 的 ALERT 信號或TMAG5273 的 INT 信號可用于在轉換完成且數據準備就緒時(shí)通知控制器。 低電感去耦電容器必須放置在傳感器引腳附近。建議使用電容值至少為 0.01 μF 的陶瓷電容器。 這些霍爾效應傳感器可以嵌入采用非鐵材料（如塑料或鋁）制成的外殼內，而檢測用磁鐵位于外殼外面。傳感器和磁鐵也可以放置與 PC 板相對的一側。
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