Cum se poate realiza o detectare rapidă, precisă și cu consum redus de energie pentru controlul în timp real al poziției

Utilizarea detecției poziției tridimensionale (3D) pentru controlul în timp real este în creștere într-o varietate de aplicații din Industria 4.0, de la roboți industriali și sisteme automate la aspiratoare robotizate și securitate. Senzorii de poziție 3D cu efect Hall sunt o opțiune bună pentru aceste aplicații, deoarece oferă o repetabilitate și o fiabilitate ridicată și pot fi utilizați și cu ferestre, uși și incinte pentru detectarea intruziunilor sau a manipulărilor magnetice.

Cu toate acestea, proiectarea unui sistem de detecție 3D eficient și sigur care utilizează un senzor cu efect Hall poate fi un proces complex și consumator de timp. Senzorul cu efect Hall trebuie să se conecteze la un microcontroler (MCU) suficient de puternic pentru a acționa ca motor de calcul al unghiului și pentru a efectua medii de măsurare, precum și compensarea câștigului și a decalajului pentru a determina orientările magneților și pozițiile 3D. De asemenea, MCU trebuie să gestioneze o varietate de diagnostice, inclusiv monitorizarea câmpului magnetic, a temperaturii sistemului, a comunicațiilor, a continuității, a traseului semnalului intern și a sursei de alimentare.

Pe lângă proiectarea hardware, dezvoltarea de software poate fi complexă și consumatoare de timp, ceea ce întârzie și mai mult lansarea pe piață.

Pentru a aborda aceste provocări, proiectanții pot utiliza circuite integrate de senzori de poziție 3D cu efect Hall cu un motor de calcul intern. Aceste circuite integrate simplifică proiectarea software-ului și reduc sarcina procesorului de sistem cu până la 25%, permițând utilizarea unui MCU de uz general și cu costuri reduse. De asemenea, acestea pot oferi rate de eșantionare rapide și latență redusă pentru un control precis în timp real. În cazul dispozitivelor alimentate cu baterii, senzorii de poziție 3D cu efect Hall pot funcționa cu cicluri de funcționare de 5 Hertz (Hz) sau mai puțin pentru a minimiza consumul de energie. În plus, funcțiile și diagnosticarea integrate maximizează flexibilitatea de proiectare, precum și siguranța și fiabilitatea sistemului.

Acest articol trece în revistă elementele de bază ale senzorilor de poziție cu efect Hall 3D și descrie utilizarea acestora în robotică, detectarea falsificărilor, controalele interfeței umane și sistemele de motoare cardanice. În continuare, sunt prezentate exemple de senzori de poziție de înaltă precizie, liniari, cu efect Hall 3D de la Texas Instruments, împreună cu plăci de evaluare asociate și ghiduri de implementare pentru a accelera procesul de dezvoltare.

Ce sunt senzorii 3D cu efect Hall?

Senzorii 3D cu efect Hall pot colecta informații despre întregul câmp magnetic, permițând utilizarea măsurătorilor de distanță și unghiulare pentru determinarea poziției în medii 3D. Cele două poziții cele mai comune pentru acești senzori sunt pe axă și coplanar cu polarizarea magnetică (figura 1). Atunci când este plasat pe axa de polarizare, câmpul oferă o intrare unidirecțională la senzor, care poate fi utilizată pentru determinarea poziției. Plasarea coplanară produce un vector de câmp care este paralel cu fața magnetului, indiferent de distanța față de senzor, permițând, de asemenea, determinarea poziției și a unghiului.

Figura 1: Senzorii de poziție 3D cu efect Hall pot fi plasați pe axă sau coplanar față de câmpul magnetic pentru a măsura distanța și mișcarea unghiulară. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Sistemele din Industria 4.0, cum ar fi roboții, au nevoie de senzori de mișcare pe mai multe axe pentru a măsura unghiul brațelor robotizate sau la fiecare roată a roboților mobili pentru a sprijini navigarea și mișcarea precisă în întreaga instalație. Senzorii 3D integrați cu efect Hall sunt foarte potriviți pentru aceste sarcini, deoarece nu sunt sensibili la umiditate sau murdărie. Măsurătorile coplanare oferă măsurători foarte precise ale câmpului magnetic al arborilor rotativi (figura 2).

Figura 2: Senzorii 3D cu efect Hall integrați pot măsura rotația arborelui în roboți și în alte aplicații din Industria 4.0. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Carcasele securizate, cum ar fi contoarele de electricitate și de gaz, bancomatele automate (ATM), serverele de întreprindere și echipamentele electronice de la punctele de vânzare pot utiliza măsurători de câmp pe axă pentru a detecta intruziunile (figura 3). Atunci când se deschide carcasa, densitatea fluxului (B) detectată de senzorul 3D cu efect Hall scade până când scade sub specificația punctului de eliberare a fluxului (_BRP) a comutatorului Hall, moment în care senzorul trimite o alertă. Atunci când carcasa este închisă, densitatea fluxului magnetic trebuie să fie suficient de mare în raport cu_BRP pentru a preveni alertele false. Deoarece densitatea de flux a unui magnet tinde să scadă pe măsură ce crește temperatura, utilizarea unui senzor 3D cu efect Hall cu capacitate de compensare a temperaturii poate îmbunătăți fiabilitatea sistemului pentru carcasele utilizate în medii industriale sau în aer liber.

Figura 3: Detectarea deteriorării carcasei poate fi implementată cu senzori 3D cu efect Hall pentru a identifica accesul neautorizat. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Interfețele umane și comenzile din aparatele electrocasnice, echipamentele de testare și măsurare și electronicele personale pot beneficia de utilizarea tuturor celor trei axe de mișcare. Un senzor poate monitoriza mișcarea în planurile X și Y pentru a identifica rotația unui cadran și poate identifica momentul în care cadranul este împins prin monitorizarea unei deplasări mari în axele magnetice X și Y. Monitorizarea axei Z permite sistemului să identifice alinierile greșite și să trimită alerte de uzură sau deteriorare care indică faptul că cadranul ar putea necesita întreținere preventivă.

Sistemele de motoare gimbal din stabilizatoarele de cameră portabile și dronele beneficiază de utilizarea senzorilor 3D cu efect Hall cu intervale selectabile de sensibilitate a câmpului magnetic și alți parametri programabili pentru a furniza măsurători de unghiuri către un MCU (figura 4). MCU ajustează continuu poziția motorului, după cum este necesar pentru a stabiliza platforma. Un senzor care poate măsura cu acuratețe și precizie unghiurile în poziții pe axă și în afara axei oferă flexibilitate în proiectarea mecanică.

Figura 4: Motoarele cardanice din platformele de camere portabile și dronele beneficiază de senzori 3D cu efect Hall cu intervale selectabile de sensibilitate a câmpului magnetic. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Măsurătorile în afara planului determină adesea intensități diferite ale câmpului magnetic (câștiguri) și decalaje diferite pe diferite axe, ceea ce poate cauza erori de calcul al unghiurilor. Utilizarea unui senzor Hall 3D cu corecții de câștig și decalaj oferă flexibilitate la plasarea senzorului în raport cu magnetul, asigurând cele mai precise calcule ale unghiului.

Senzori 3D flexibili cu efect Hall

Texas instruments oferă proiectanților o selecție de senzori cu efect Hall liniari pe trei axe, inclusiv familia TMAG5170 de senzori cu efect Hall liniari 3D de înaltă precizie, cu o interfață periferică serială (SPI) de 10 megahertzi (MHz) și verificare ciclică a redundanței (CRC) și; familia TMAG5273 de senzori cu efect Hall liniari 3D de joasă putere, cu o interfață I²C și CRC.

Dispozitivele TMAG5170 sunt optimizate pentru detectarea rapidă și precisă a poziției și includ: o eroare totală de măsurare liniară de ±2,6% (maxim la 25°C); o derivă de temperatură a sensibilității de ±2,8% (maxim) și o rată de conversie de 20 de kilograme de eșantioane pe secundă (Ksps) pentru o singură axă. Dispozitivele TMAG7273 dispun de moduri de consum redus de energie, inclusiv: 2,3 miliamperi (mA) curent în modul activ; 1 microamperiu (µA) curent în mod de trezire și în mod de veghe și; 5 nanoamperi (nA) curent în mod de veghe. Aceste circuite integrate includ patru blocuri funcționale primare (figura 5):

• Blocul Power Management & Oscillator include detectarea subtensiunii și supratensiunii, polarizarea și oscilatoarele.
• Senzorii Hall și polarizarea asociată cu multiplexoarele, filtrele de zgomot, detectarea temperaturii, circuitul integrator și un convertor analog-digital (ADC) alcătuiesc blocul de detectare și măsurare a temperaturii.
• Circuitele de control al comunicațiilor, protecția împotriva descărcărilor electrostatice (ESD), funcțiile de intrare/ieșire (I/O) și CRC sunt incluse în blocul de interfață.
• Nucleul digital conține circuite de diagnosticare pentru verificările de diagnosticare obligatorii și cele activate de utilizator, alte funcții de menținere și un motor integrat de calcul al unghiurilor care furnizează informații despre poziția unghiulară la 360 de grade atât pentru măsurătorile unghiulare pe axă, cât și în afara axei.

Figura 5: Cu excepția unei interfețe SPI (prezentată mai sus) la modelele TMAG5170 și a unei interfețe I²C la modelele TMAG5273, blocurile funcționale interne sunt aceleași pentru ambele familii de circuite integrate pentru senzori 3D cu efect Hall. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Dispozitivele TMAG5170 sunt livrate într-o capsulă VSSOP cu 8 pini care măsoară 3,00 x 3,00 milimetri (mm) și sunt specificate pentru o gamă de temperaturi ambientale de la -40°C la +150°C. TMAG5170A1 include intervale de sensibilitate de ±25 militesla (mT), ±50 mT și ±100 mT, în timp ce TMAG5170A2 suportă ±75 mT, ±150 mT și ±300 mT.

Familia TMAG5273 de joasă putere utilizează pachete DBV cu 6 pini care măsoară 2,90 x 1,60 mm și este specificată pentru o gamă de temperaturi ambientale de la -40°C la +125°C. De asemenea, este oferit în două modele diferite: TMAG5273A1 cu intervale de sensibilitate de ±40 mT și ±80 mT și TMAG5273A2 care suportă ±133 mT și ±266 mT.

Două axe magnetice selectate de utilizator sunt utilizate pentru calcularea unghiurilor. Impactul surselor de eroare mecanică a sistemului este minimizat prin corecții magnetice de câștig și offset. Funcția de compensare a temperaturii de la bord poate fi utilizată pentru a compensa în mod independent modificările de temperatură ale magnetului sau ale senzorului. Acești senzori 3D cu efect Hall pot fi configurați prin intermediul interfeței de comunicații pentru a permite combinații de axe magnetice și măsurători de temperatură controlate de utilizator. Pinul ALERTĂ de pe TMAG5170 sau pinul INT de pe TMAG5273 poate fi utilizat de un MCU pentru a declanșa o nouă conversie a senzorului.

Panourile de evaluare ajută la început

Texas Instruments oferă, de asemenea, două plăci de evaluare, una pentru seria TMAG5170 și una pentru seria TMAG5273, pentru a permite evaluări funcționale de bază (Figura 6). TMAG5170EVM include atât modelul TMAG5170A1, cât și modelul TMAG5170A2 pe o placă de circuit imprimat de tip snap-apart. TMAG5273EVM are modelele TMAG5273A1 și TMAG5273A2 pe o placă de circuit imprimat de tip snap-apart. Acestea includ o placă de control a senzorilor care se conectează la interfața grafică cu utilizatorul (GUI) pentru a vizualiza și salva măsurătorile și pentru a citi și scrie registrele. Modulul de rotire și împingere imprimat 3D este utilizat pentru a testa funcțiile comune de măsurare unghiulară.

Figura 6: TMAG5170EVM și TMAG5273EVM includ ambele o placă cu două circuite integrate diferite de senzori 3D cu efect Hall (dreapta jos), o placă de control a senzorului (stânga jos), un modul de rotire și împingere imprimat 3D (centru) și un cablu USB pentru alimentarea cu energie. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Figura 7: Ilustrație a modulului de rotire și împingere imprimat 3D montat pe partea superioară a EVM. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Utilizarea senzorilor Hall 3D

Există câteva considerente de implementare pe care proiectanții trebuie să le aibă în vedere atunci când utilizează acești senzori de poziție cu efect Hall 3D:

• Citirea SPI a registrului de rezultate în TMAG5170 sau citirea I²C în TMAG5273 trebuie să fie sincronizată cu timpul de actualizare a conversiei pentru a se asigura că datele corecte sunt citite. Semnalul ALERT de pe TMAG5170 sau semnalul INT de pe TMAG5273 poate fi utilizat pentru a notifica controlerul atunci când o conversie este finalizată și datele sunt pregătite.
• Un condensator de decuplare cu inductanță redusă trebuie să fie plasat în apropierea pinului senzorului. Se recomandă un condensator ceramic cu o valoare de cel puțin 0,01 microfarade (μF).
• Acești senzori cu efect Hall pot fi încorporați în carcase realizate din materiale neferoase, cum ar fi plasticul sau aluminiul, cu magneții de detecție la exterior. De asemenea, senzorii și magneții pot fi plasați pe părți opuse ale unei plăci de circuit imprimat.

Concluzie

Odată cu creșterea mișcării și controlului 3D, proiectanții trebuie să obțină măsurători precise în timp real, menținând în același timp costurile la un nivel minim prin simplificarea proiectării, reducând totodată la minimum consumul de energie. După cum se arată, senzorii de efect Hall 3D integrați TMAG5170 și TMAG5273 abordează aceste probleme, oferind flexibilitatea unor rate de eșantionare rapide și latență scăzută pentru un control precis în timp real sau rate de eșantionare lente pentru a minimiza consumul de energie în dispozitivele alimentate cu baterii. Precizia ridicată este asigurată de algoritmii integrați de corecție a câștigului și a decalajului, combinați cu corecția independentă a temperaturii pentru magnet și senzor.

Lectură recomandată

1. Fundamentele senzorilor de proximitate: Selecția și utilizarea lor în automatizarea industrială
2. De ce și cum să utilizați interfața periferică serială pentru a simplifica conexiunile între mai multe dispozitive