【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、人機接口控制和萬向電機系統中的應用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應位置傳感器為例，介紹相關的評估板及其應用指導，從而加快開發進程。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、人機接口控制和萬向電機系統中的應用。然后以 Texas Instruments 的高精度、線性 3D 霍爾效應位置傳感器為例，介紹相關的評估板及其應用指導，從而加快開發進程。如果您對3D霍爾效應傳感器感興趣，歡迎閱讀，相信這篇文章會有所幫助。
在各種工業 4.0 應用中，通過 3D 位置檢測進行實時控制的情況越來越多，從工業機器人、自動化系統到機器人真空和安防。3D 霍爾效應位置傳感器無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復雜、耗時的過程。霍爾效應傳感器需要與一個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、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，軟件開發也可能是一個復雜而耗時的過程，從而再一次拖延產品上市時間。
什么是 3D 霍爾效應傳感器？
諸如機器人之類的工業 4.0 系統，需要通過多軸運動檢測來測量機器人手臂的角度，或在移動機器人的每個滾輪上進行多軸檢測，以支持整個在設施內的導航和精確運動。集成 3D 霍爾效應傳感器非常適用于這些任務，因為它們不容易受潮濕或灰塵的影響。使用共面測量法，可對旋轉軸磁場進行高度精確的測量（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 4.0 應用中的軸旋轉。（圖片來源：Texas Instruments）
諸如電表和煤氣表、自動取款機 (ATM)、企業服務器和收銀機的安全外殼可以通過軸上磁場測量進行入侵檢測（圖 3）。當外殼被打開時，3D 霍爾效應傳感器會檢測到的磁通密度 (B) 下降，并且當磁通密度下降至低于霍爾開關的磁通釋放點 (BRP) 點時，霍爾效應傳感器發出警報。為了在關閉外殼時防止誤報警，必須保持磁通密度必須足夠大（相對于 BRP 來說）。由于磁鐵的磁通密度往往會隨著溫度的升高而降低，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或戶外環境中設備外殼的系統可靠性。
所有三個運動軸都有益于家用電器、測試和測量設備以及個人電子產品中的人機界面和控制。一個傳感器可以監視 X 和 Y 平面內的運動，以識別轉盤的旋轉，并且可以通過監視 X 和 Y 磁軸的大幅移動來識別轉盤何時被推動。監視 Z 軸可實現系統能夠識別是否錯位，并在轉盤因為磨損或損壞可能需要預防性維護時發出警報。
手持式相機穩定器和無人機中的萬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磁場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會根據需要不斷調節電機位置以穩定平臺。一個能準確無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性霍爾效應傳感器，包括TMAG5170 系列高精度 3D 線性霍爾效應傳感器和 TMAG5273 系列低功率線性 3D 霍爾效應傳感器，兩者均具有循環冗余校驗功能 (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壓檢測、偏置和振蕩器。 霍爾傳感器、相關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。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一塊具有兩個不同的 3D 霍爾效應傳感器 IC 的快裝電路板（右下），一個傳感器控制板（左下），通過 3D 打印制造的旋轉和推動模塊（中間）以及一根 USB 電源電纜。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 7：安裝在 EVM 頂部的 3D 打印旋轉和推動模塊插圖。（圖片來源：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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