技術(shù)干貨 | 3D 霍爾效應(yīng)傳感器如何在自治系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)位置控制

隨著工業(yè) 4.0 的先進(jìn)制造工藝席卷全球市場(chǎng)，高度自動(dòng)化系統(tǒng)的需求急劇增長(zhǎng)，這些系統(tǒng)既需要在集成的制造流程中運(yùn)行，又需要不斷收集流程控制數(shù)據(jù)。大多數(shù)此類系統(tǒng)（包括機(jī)械臂中的磁性編碼器、接近傳感器、傳動(dòng)器、壓力變送器、線性電機(jī)和自主移動(dòng)機(jī)器人）均需要先進(jìn)的位置感應(yīng)解決方案來控制性能并收集工廠級(jí)數(shù)據(jù)，從而做出更明智的決策并提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖 1 中所示自主移動(dòng)機(jī)器人可以自動(dòng)執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)，例如在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)運(yùn)輸物料。這類工業(yè)機(jī)器人可幫助優(yōu)化制造流程、增加生產(chǎn)量并提高生產(chǎn)率。要在工廠車間或倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)安全高效導(dǎo)航，自主移動(dòng)機(jī)器人的輪子必須內(nèi)置位置感應(yīng)和速度控制等高精度系統(tǒng)控制功能。

圖 1：自主移動(dòng)機(jī)器人橫穿倉(cāng)庫(kù)

可控制運(yùn)動(dòng)的高性能自動(dòng)化系統(tǒng)幾乎都需要位置感應(yīng)，并且位置感應(yīng)技術(shù)的選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的成本和性能。在評(píng)估出色的位置感應(yīng)解決方案，需要考慮傳感器精度、速度、功率、靈活性和可靠性等因素。

多軸線性霍爾效應(yīng)位置傳感器可提供高度精確、快速且可靠的絕對(duì)位置測(cè)量，非常適合精密自動(dòng)化工業(yè)應(yīng)用。這些功能有助于實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)控制，此類控制在提高設(shè)備性能、優(yōu)化系統(tǒng)效率和更大限度地減少停機(jī)時(shí)間方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

再看一下自主移動(dòng)機(jī)器人的例子，圖 2 中的方框圖展示了輪子的電機(jī)和電機(jī)控制器之間形成的反饋環(huán)路。其中使用的是 TI 的 TMAG5170 線性 3D 霍爾效應(yīng)位置傳感器，可監(jiān)測(cè)電機(jī)軸的確切角度位置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。除了此反饋環(huán)路中顯示的所有元素外，該線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器通常會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶寬和延遲有直接影響。通過采用能夠進(jìn)行高帶寬測(cè)量的傳感器，您可以提高此反饋環(huán)路的整體速度并增強(qiáng)系統(tǒng)性能。

同樣，位置傳感器的測(cè)量精度決定了對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的可控程度。而傳感器的速度和精度通常此消彼長(zhǎng)，系統(tǒng)性能因此受到限制。TMAG5170 可實(shí)現(xiàn)高吞吐量數(shù)據(jù)讀取，感應(yīng)速度高達(dá) 20 kSPS，并且可進(jìn)行高精度線性測(cè)量，最大總誤差為 2.6%，讓您無需在兩者中做出抉擇。

圖 2：采用TMAG5170線性3D霍爾效應(yīng)位置傳感器的自主移動(dòng)機(jī)器人輪子電機(jī)模塊方框圖

功耗可能也是選擇位置傳感器時(shí)的重要考量項(xiàng)，具體取決于設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)或電源。電池供電型系統(tǒng)或采用低功耗電源的系統(tǒng)（例如，遠(yuǎn)程 4 mA 至 20 mA 環(huán)路供電）通常需要具備低功耗運(yùn)行模式（例如，喚醒和睡眠以及深度睡眠模式）的傳感器來幫助提高吞吐量的同時(shí)降低功耗。TMAG5170 具有多個(gè)運(yùn)行模式和采樣率。與其他精密線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器相比，其電源效率至少能提升 70%，可在 1 kHz 至 20 kHz 采樣范圍內(nèi)為電池供電器件或關(guān)注系統(tǒng)效率的輕負(fù)載模式降低功耗。

通常情況下，位置傳感器具有嚴(yán)格的機(jī)械配置限制。線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器功能豐富，具有可選磁性靈敏度范圍和溫度補(bǔ)償選項(xiàng)，可方便您靈活進(jìn)行磁性和機(jī)械設(shè)計(jì)。TMAG5170 具有片上角度計(jì)算引擎，無需片外處理，同時(shí)提供角度感應(yīng)應(yīng)用中傳感器和磁體的機(jī)械放置靈活性，包括軸上和偏軸情況下的配置。

由于在自動(dòng)化操作中工業(yè)系統(tǒng)與人工配合日益密切，因此需要更多安全措施來確保操作安全，此外，對(duì)用于防止工具停機(jī)和質(zhì)量問題的診斷功能的需求也不斷增加。選擇位置傳感器時(shí)，除精度、速度、功率和靈活性等因素外，讀數(shù)可靠性也是一個(gè)重要因素。例如，如果選擇具有少量或根本不具有診斷功能的傳感器，則可能需要大量外部元件來確保傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，這會(huì)增加設(shè)計(jì)的物料清單(BOM)成本。TMAG5170 具有獨(dú)特的智能診斷功能組合，例如通信、連續(xù)性和內(nèi)部信號(hào)路徑檢查，以及可針對(duì)電源、輸入磁場(chǎng)和系統(tǒng)溫度進(jìn)行配置的診斷功能。無需其他元件即可確保傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠性并降低 BOM 成本。

高速高精度的位置傳感器在自動(dòng)化工業(yè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了新一代實(shí)時(shí)控制技術(shù)。TMAG5170 等精密線性 3D 霍爾效應(yīng)傳感器可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)快速、精確且可靠的測(cè)量，而無需降低性能或增加功耗和成本，從而進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè) 4.0 市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。