ZHCACL7A january 2021 – april 2023 TMAG5170 , TMAG5170-Q1 , TMAG5170D-Q1 , TMAG5173-Q1 , TMAG5273
随着对自动化精密控制系统的需求增加,设计更可靠且不太可能因机械磨损而失效的系统的需求也在增加。其中许多应用都需要检测角旋转。虽然可以使用多个一维传感器来实现此功能,但新型三维传感器可提供更大的灵活性和准确性,同时支持更紧凑的设计。
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角度测量是系统反馈的一种重要形式,适用于各种应用。可以使用霍尔效应传感器计算精确的旋转位置,这将提高整体系统的可靠性和成功率。在检测机械臂的位置、施加到脚踏板的力或者旋钮或液位控制的位置时,角度精度还可以改善最终用户的整体系统控制。
使用旋转磁体进行角度测量的传统方法是利用两个线性霍尔效应传感器,这两个传感器与径向圆柱体磁体位于同一平面内,相隔 90º。
标准霍尔效应传感器只能检测垂直于器件表面的磁通密度或 B 场分量。在采用图 1-1 中的配置时,每个传感器仅检测 B 场的一部分,该部分沿一个轴从磁体中心沿径向向外指。当磁体旋转时,生成的输出会产生匹配的正弦和余弦波形,并具有与物理位置相关的 90º 偏移。我们可以观察到,当磁体的磁极完全对准传感器时,该传感器检测到的峰值磁通密度就会出现。
考虑到输出的三角关系,可以使用反正切函数来计算角度。具体而言,许多数学库中常见的 ATAN2 或 ARCTAN2 函数能够接受来自全部四个象限的笛卡尔 (X,Y) 输入,并可计算相关的角度。
该关系提供了一种可靠的方法来确定旋转磁体的角度。线性霍尔效应传感器角度测量理论、实现和校准应用报告 是一个更详细讨论该配置的附加资源。
在使用两个霍尔效应传感器计算角度时,必须解决一些难题。
首先,正确对齐需要足够大的 PCB 面积,以便将两个传感器正确放置在与磁体具有合理距离的位置。考虑一个半径和厚度均为 3.125mm (0.125in) 的 NdFeB 型磁体。
磁体表面到传感器的距离是变化的(在图 1-3 中用“传感器距离”表示),我们可以分析观察到的输入。如果磁体的材料等级也发生变化,那么我们将获得任何给定传感器的各种灵敏度选项的间距曲线。例如,考虑一个峰值输入范围为 ±50mT 的传感器。假设提供 10% 的缓冲区以避免输出钳位风险,我们将获得图 1-4 中所示的磁场行为。
请注意,N35 磁体的检测距离为 4.5mm,而 N55 磁体相对于传感器的目标距离为 5mm。该距离将对任何目标应用中的设计机制产生直接影响。任何双传感器解决方案都需要足够的物理空间来将两个传感器放置在选定的距离处。在该距离上,即使是机械间距的微小变化也会对观测到的大小产生重大影响。两个传感器的间距不匹配将导致误差。
其次,务必考虑器件灵敏度变化。考虑一个最大灵敏度误差为 ±5% 的传感器。在最坏的情况下,一个传感器将报告施加了 52.5mT 的满量程输出,而另一个传感器报告施加了 47.5mT。当使用预期输入为 45mT 的 N35 磁体时,旋转磁体时的输出图如图 1-5 所示。
可以使用反正切计算来确定该灵敏度误差产生的角度误差。图 1-6 展示了周期为 180° 的循环重复误差。最小误差对应于任一 B 场输入的过零。在这种情况下,该灵敏度不匹配导致的峰值角度误差为 2.86º。
在任何系统中,磁体对齐和居中会出现额外的误差,从而可能导致偏移、摆动或倾斜,这是正常现象。组件中的对齐误差可能会影响传感器之间的 90º 间距,或者物理组件可能无法完全对齐。所有制造容差都会对系统产生影响,预计会出现额外的误差,需要进行校准以实现最佳性能。
一种将所讨论的与一维 (1D) 传感器相关的挑战降至最低的新方法是将多个灵敏度轴集成到单个器件中。在前面的示例中,在每个传感器上仅观察到磁场的一个分量。
如果一个传感器要在最初检查的同一位置捕获 B 场矢量的 X、Y 和 Z 分量,我们可以减少器件数量并解决与机械装配相关的不确定性。在与 1D 案例中探讨的相同距离处仅使用一个这样的传感器时,我们可以观察到图 2-2 所示的磁场。
请注意,在该位置,X 和 Y 分量仍然共享正弦和余弦关系。由于传感器位置与磁体完全对齐,因此 Z 分量保持为零。鉴于 X 和 Y 输入之间的自然 90º 相移,具有全部三个灵敏度轴的传感器(例如 TMAG5170)非常适合检测旋转磁体的角度位置,无论封装方向如何都是如此。或者,TMAG5170D-Q1 是 TMAG5170 的双芯片版本,可在系统需要冗余时使用。
如图所示,峰值大小不相等,我们讨论过这是双传感器方法中的一个重要误差源。幸运的是,TMAG5170 器件提供了一种简单的解决方案来实现峰值匹配,本文档对此进行了详细探讨。