Miten toteutetaan nopea, tarkka ja vähävirtainen asennon mittaus reaaliaikaista ohjausta varten

Kolmiulotteisen (3D) asennon mittauksen käyttö reaaliaikaiseen ohjaukseen lisääntyy monissa Teollisuus 4.0 -sovelluksissa teollisuusroboteista ja automaatiojärjestelmistä robotti-imureihin ja turvallisuuteen. 3D-Hall-asentoanturit ovat hyvä vaihtoehto näihin sovelluksiin, sillä ne tarjoavat korkean toistettavuuden ja luotettavuuden. Niitä voidaan käyttää myös ikkunoiden, ovien ja koteloiden yhteydessä tunkeutumisen tai magneettisen peukaloinnin havaitsemiseen.

Tehokkaan ja turvallisen 3D-anturijärjestelmän suunnittelu Hall-anturia käyttäen voi silti olla monimutkainen ja aikaa vievä prosessi. Hall-anturi on liitettävä mikrokontrolleriin (MCU), joka on riittävän tehokas suorittamaan kulmalaskennan ja mittausten keskiarvoistuksen sekä vahvistus- ja offset-kompensoinnin magneettien suunnan ja 3D-asentojen määrittämiseksi. Mikrokontrollerin on myös suoritettava erilaisia diagnostiikkatehtäviä, kuten magneettikentän, järjestelmän lämpötilan, tiedonsiirron, jatkuvuuden, sisäisen signaalireitin ja virtalähteen valvontaa.

Laitteistosuunnittelun lisäksi ohjelmistokehitys voi olla monimutkaista ja aikaa vievää, mikä viivästyttää markkinoilletuontia entisestään.

Suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet käyttämällä integroituja 3D-Hall-asentoanturimikropiirejä, jotka tarjoavat sisäisen laskentatoiminnon. Nämä mikropiirit yksinkertaistavat ohjelmistosuunnittelua ja vähentävät järjestelmäprosessorin kuormitusta jopa 25 prosenttia, mikä mahdollistaa edullisen yleiskäyttöisen mikroprosessorin käytön. Ne voivat myös tarjota nopeat näytteenottotaajuudet ja alhaisen latenssin tarkkaa reaaliaikaista ohjausta varten. Paristokäyttöisissä laitteissa 3D-Hall-asentoantureita voidaan käyttää 5 hertsin (Hz) tai sitä lyhyemmillä käyttöjaksoilla virrankulutuksen minimoimiseksi. Lisäksi integroidut toiminnot ja diagnostiikka maksimoivat suunnittelun joustavuuden sekä järjestelmän turvallisuuden ja luotettavuuden.

Tässä artikkelissa tarkastellaan 3D-Hall-asentoantureiden perusteita ja kuvataan niiden käyttöä robotiikassa, peukaloinnin havaitsemisessa, käyttöliittymäohjauksissa ja gimbaalimoottorijärjestelmissä. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkejä Texas Instrumentsin erittäin tarkoista ja lineaarisista 3D-Hall-asentoantureista yhdessä niihin liittyvien kehitysprosessia nopeuttavien evaluointikorttien ja toteutusohjeiden kanssa.

Mitä 3D-Hall-anturit ovat?

3D-Hall-anturit voivat kerätä informaatiota koko magneettikentästä, mikä mahdollistaa etäisyys- ja kulmamittausten käytön asennon määrittämiseen 3D-ympäristöissä. Näiden antureiden kaksi yleisintä sijoitustapaa ovat akselinsuuntainen ja samantasoinen (koplanaarinen) magneettipolarisaation kanssa (kuva 1). Kun kenttä sijoitetaan polarisaatioakselille, se tarjoaa anturille yksisuuntaisen tulon, jota voidaan käyttää asennon määrittämiseen. Samantasoinen sijainti tuottaa kenttävektorin, joka on samansuuntainen magneettipinnan kanssa riippumatta etäisyydestä anturiin, mikä myös mahdollistaa asennon ja kulman määrittämisen.

Kuva 1: 3D-Hall-asentoanturit voidaan sijoittaa etäisyyden ja kulmaliikkeen mittaamiseksi akselinsuuntaisesti tai samaan tasoon magneettikentän kanssa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Teollisuus 4.0 -järjestelmät, kuten robotit, tarvitsevat moniakselisia liikeantureita robottivarsien kulman mittaukseen. Niitä tarvitaan myös mobiilirobottien kussakin pyörässä navigoinnin ja tarkan liikkeen mahdollistamiseksi koko laitoksessa. Integroidut 3D-Hall-anturit soveltuvat hyvin näihin tehtäviin, koska ne eivät ole herkkiä kosteudelle tai lialle. Samantasoiset mittaukset mahdollistavat erittäin tarkat magneettikentän mittaukset pyörivistä akseleista (kuva 2).

Kuva 2: Integroidut 3D-Hall-anturit voivat mitata akselin liikettä roboteissa ja muissa teollisuus 4.0 -sovelluksissa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Suojatuissa koteloissa, kuten sähkö- ja kaasumittareissa, pankkiautomaateissa, yrityspalvelimissa ja sähköisten myyntipisteiden laitteissa, voidaan käyttää akselinsuuntaisia kenttämittauksia kotelon avaamisen havaitsemiseen (kuva 3). Kun kotelo avataan, 3D-Hall-anturin mittaama vuontiheys (B) pienenee, kunnes se laskee Hall-kytkimelle määritellyn vuon vapautuspisteen (B_RP) alapuolelle. Silloin anturi lähettää hälytyksen. Kun kotelo on suljettu, magneettivuon tiheyden on oltava riittävän suuri suhteessa vuon vapautuspisteeseen (B_RP) väärien hälytyksien estämiseksi. Koska magneetin vuontiheys tapaa laskea lämpötilan noustessa, lämpötilakompensoinnilla varustetun 3D-Hall-anturin käyttö parantaa koteloiden järjestelmäluotettavuutta teollisuus- tai ulkoympäristöissä.

Kuva 3: Kotelon peukalointi ja luvaton käyttö voidaan havaita 3D-Hall-antureilla. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kodinkoneiden, testaus- ja mittauslaitteiden sekä henkilökohtaisen elektroniikan käyttöliittymät ja ohjausyksiköt voivat hyötyä kaikkien kolmen liikeakselin käytöstä. Anturi voi valvoa X- ja Y-tasojen liikettä ja tunnistaa valitsimen kierron. Se voi havaita valitsimen painamisen mittaamalla suuren siirtymän X- ja Y- magneettiakseleissa. Z-akselia valvomalla järjestelmä voi tunnistaa virheasennot. Se voi lähettää hälytyksiä kulumisesta tai vaurioista ja ilmoittaa näin, että valitsin tarvitsee ennaltaehkäisevää huoltoa.

3D-Hall-anturit ovat hyödyllisiä kädessä pidettävien kameravakaajien ja lennokkien gimbaalimoottorijärjestelmissä. Anturit tarjoavat valittavissa olevia magneettikentän herkkyysalueita ja muita ohjelmoitavia parametreja kulmamittauksien tuottamiseksi mikrokontrollerille (kuva 4). Mikrokontrolleri säätää tarvittaessa jatkuvasti moottorin asentoa alustan vakauttamiseksi. Anturi, joka voi mitata kulmat tarkasti ja täsmällisesti akselinsuuntaisissa ja akselista poikkeavissa asennoissa, tarjoaa joustavuutta mekaaniseen suunnitteluun.

Kuva 4: Kädessä pidettävien kameratukien ja lennokkien gimbaalimoottorit hyötyvät 3D-Hall-antureista, joiden on magneettikentän herkkyysalueet ovat valittavissa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Tasosta poikkeavat mittaukset aiheuttavat usein erilaisia magneettikentän voimakkuuksia (vahvistuksia) ja erilaisia siirtymiä eri akseleilla, mikä voi johtaa virheisiin kulmalaskennassa. Vahvistus- ja offset-korjauksilla varustetun 3D-Hall-anturin käyttö mahdollistaa joustavuuden sijoitettaessa anturi suhteessa magneettiin ja näin mahdollisimman tarkat kulmalaskelmat.

Joustavat 3D-Hall-anturit

Texas Instruments tarjoaa suunnittelijoille valikoiman kolmiakselisia lineaarisia Hall-antureita, TMAG5170- ja TMAG5273-tuoteperheet mukaan lukien. Ensimmäinen sisältää erittäin tarkkoja lineaarisia 3D-Hall-antureita, joiden ominaisuuksiin kuuluvat 10 megahertsin (MHz) sarjaliitäntä (SPI) ja syklinen redundanssin tarkistus (CRC). Jälkimmäinen sisältää vähävirtaisia lineaarisia 3D-Hall-antureita I²C-liitännällä ja syklisellä redundanssin tarkistuksella (CRC).

TMAG5170-laitteet on optimoitu nopeaan ja tarkkaan asennon mittaukseen ja niihin sisältyy: lineaarimittauksen kokonaisvirhe ±2,6 % (maksimi, lämpötilassa 25 °C); herkkyyden lämpötilasiirtymä ±2,8 % (maksimi) ja yhden akselin muunnosnopeus 20 kilonäytettä sekunnissa (Ksps). TMAG7273-laitteet tarjoavat seuraavat virransäästötilat: aktiivitilan virta 2,3 milliampeeria (mA), herätys- ja lepotilan virta 1 mikroampeeri (µA) ja lepotilan virta 5 nanoampeeria (nA). Näissä mikropiireissä on neljä tärkeää toimilohkoa (kuva 5):

• Tehonhallinta- ja oskillaattorilohko kattaa ali- ja ylijännitteen tunnistuksen, biasoinnin ja oskillaattorit.
• Anturi- ja lämpötilanmittauslohko koostuu Hall-antureista ja niihin liittyvästä biasoinnista multipleksereillä, kohinasuodattimilla, lämpötilamittauksella, integraattoripiirillä ja analogia-digitaalimuuntimella (ADC).
• Liitäntälohko sisältää tiedonsiirron ohjauspiirin, suojauksen sähköstaattisilta purkauksilta (ESD), I/O-toiminnot ja CRC-tarkistuksen.
• Digitaalinen ydin sisältää diagnostiikkapiirejä pakollisia ja käyttäjän määrittelemiä diagnoositarkastuksia varten, muita hallintatoimintoja sekä integroidun kulmalaskentamoduulin. Kulmalaskentamoduuli tarjoaa 360 asteen kulma-asentotiedot sekä akselinsuuntaisia että akselista poikkeavia kulmamittauksia varten.

Kuva 5: TMAG5170-mallien SPI-liitäntää (yllä) ja TMAG5273-mallien I²C-liitäntää lukuun ottamatta sisäiset toimilohkot ovat molemmissa 3D-Hall-anturimikropiiriperheissä samat. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

TMAG5170-laitteet toimitetaan 8-jalkaisessa VSSOP-kotelossa, jonka mitat ovat 3,00 x 3,00 millimetriä (mm). Ne on tarkoitettu ympäristön lämpötila-alueelle -40 ... 150 °C. TMAG5170A1 kattaa herkkyysalueet ±25 milliteslaa (mT), ±50 mT ja ±100 mT, kun taas TMAG5170A2 tukee alueita ±75 mT, ±150 mT ja ±300 mT.

Vähävirtainen TMAG5273-tuoteperhe käyttää 6-jalkaisia DBV-koteloita, joiden mitat ovat 2,90 x 1,60 mm. Ne on tarkoitettu ympäristön lämpötila-alueelle -40 ... +125 °C. Myös tätä tuoteperhettä on tarjolla kahtena eri mallina: TMAG5273A1 kattaa herkkyysalueet ±40 mT ja ±80 mT, ja TMAG5273A2 tukee alueita ±133 mT ja ±266 mT.

Kulmalaskentaan käytetään kahta käyttäjän valitsemaa magneettiakselia. Järjestelmän mekaanisten virhelähteiden vaikutukset minimoidaan magneettisen vahvistuksen ja offsetin korjauksilla. Sisäänrakennetulla lämpötilakompensointitoiminnolla voidaan kompensoida erikseen magneetin tai anturin lämpötilamuutokset. Nämä 3D-Hall-anturit voidaan konfiguroida tiedonsiirtorajapinnan kautta niin, että käyttäjä voi hallita magneettiakselien ja lämpötilamittausten yhdistelmiä. Mikrokontrolleri voi käyttää TMAG5170-mallin ALERT-nastaa tai TMAG5273-mallin INT-nastaa uuden muunnoksen käynnistämiseen.

Evaluointikortit auttavat pääsemään alkuun

Texas Instruments tarjoaa piireille myös kaksi evaluointikorttia, toisen TMAG5170-sarjalle ja toisen TMAG5273-sarjalle. Ne mahdollistavat perustoimintojen evaluoinnin (kuva 6). Evaluointikortti TMAG5170EVM sisältää sekä TMAG5170A1- että TMAG5170A2-mallit irrotettavissa olevalla piirikortilla. Evaluointikortti TMAG5273EVM tarjoaa TMAG5273A1- ja TMAG5273A2-mallit irrotettavissa olevalla piirikortilla. Ne sisältävät anturin ohjauskortin, joka yhdistetään graafiseen käyttöliittymään (GUI) mittausten tarkastelemiseksi ja tallentamiseksi sekä rekisterien lukemiseksi ja kirjoittamiseksi. 3D-tulostettua moduulia, jota voidaan kiertää ja painaa, käytetään kulmamittauksen yleisten toimintojen testaamiseen.

Kuva 6: Evaluointikortit TMAG5170EVM ja TMAG5273EVM sisältävät kumpikin irrotettavissa olevan piirikortin kahdella erilaisella 3D-Hall-anturimikropiirillä (alaoikealla), anturin ohjauskortin (alavasemmalla), 3D-tulostetun moduulin (keskellä), jota voidaan kiertää ja painaa, sekä USB-kaapelin virransyöttöä varten. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kuva 7: Kuva 3D-tulostetusta moduulista, jota voidaan kiertää ja painaa. Moduuli asennetaan evaluointikortin päälle. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

3D-Hall-antureiden käyttö

Suunnittelijoiden on otettava huomioon muutamia toteutukseen liittyviä näkökohtia näitä 3D-Hall-asentoantureita käytettäessä:

• Tulosrekisterin lukeminen SPI-väylän kautta TMAG5170-anturissa tai I²C-väylän kautta TMAG5273-anturissa on synkronoitava muunnoksen suoritukseen vaadittavan ajan kanssa. Tällä varmistetaan luettujen tietojen oikeellisuus. TMAG5170-anturin ALERT-signaalilla tai TMAG5273-anturin INT-signaalilla voidaan ilmoittaa ohjaimelle, että muunnos on päättynyt ja data on valmis.
• Anturijalan läheisyyteen on sijoitettava matalainduktanssinen erotuskondensaattori. Tähän suositellaan keraamista kondensaattoria, jonka arvo on vähintään 0,01mikrofaradia (μF).
• Nämä Hall-anturit voidaan sijoittaa koteloihin, jotka on valmistettu raudattomista materiaaleista, kuten muovi tai alumiini. Anturimagneetit voivat olla kotelon ulkopuolella. Anturit ja magneetit voidaan myös sijoittaa eri puolille piirilevyä.

Yhteenveto

3D-liikkeen ja -ohjauksen käyttö lisääntyy koko ajan. Samaan aikaan niiden suunnittelijoiden täytyy toteuttaa tarkkoja mittauksia reaaliajassa, pitää kustannukset minimissä yksinkertaistetun suunnittelun avulla sekä minimoida virrankulutus. Kuten artikkelissa on esitetty, integroidut 3D-Hall-anturit TMAG5170 ja TMAG5273 ratkaisevat nämä ongelmat ja tarjoavat joustavasti nopeat näytteenottotaajuudet ja alhaisen latenssin tarkkaa reaaliaikaista ohjausta varten tai hitaat näytteenottotaajuudet virrankulutuksen minimoimiseksi akkukäyttöisissä laitteissa. Korkea tarkkuus varmistetaan integroiduilla vahvistus- ja offset-korjausalgoritmeilla sekä magneetin ja anturin erillisellä lämpötilakorjauksella.

Suositeltavaa luettavaa

1. Läheisyysantureiden perusteet: Niiden valinta ja käyttö teollisuusautomaatiossa
2. Miksi ja miten SPI (Serial Peripheral Interface) -rajapintaa käytetään yksinkertaistamaan useiden laitteiden välisiä yhteyksiä