Schnelle, präzise und stromsparende Positionserfassung für die Echtzeitsteuerung

Der Einsatz von dreidimensionaler (3D) Positionserfassung für die Echtzeitsteuerung nimmt in einer Vielzahl von Industrie4.0-Anwendungen zu, von Industrierobotern und automatisierten Systemen bis hin zu Roboterstaubsaugern und Sicherheitssystemen. 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren sind eine gute Option für diese Anwendungen, da sie eine hohe Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit bieten und auch bei Fenstern, Türen und Gehäusen zur Erkennung von Einbrüchen oder magnetischen Manipulationen eingesetzt werden können.

Dennoch kann die Entwicklung eines effektiven und sicheren 3D-Sensorsystems mit einem Hall-Effekt-Sensor ein komplexer und zeitaufwändiger Prozess sein. Der Hall-Effekt-Sensor muss mit einem Mikrocontroller (MCU) verbunden werden, der leistungsfähig genug ist, um als Winkelberechnungsmaschine zu fungieren und eine Mittelwertbildung der Messungen sowie eine Verstärkungs- und Offsetkompensation durchzuführen, um Magnetausrichtungen und 3D-Positionen zu bestimmen. Die MCU muss auch eine Vielzahl von Diagnosen durchführen, einschließlich der Überwachung des Magnetfelds, der Systemtemperatur, der Kommunikation, der Kontinuität, des internen Signalpfads und der Stromversorgung.

Neben der Hardwareentwicklung kann auch die Softwareentwicklung komplex und zeitaufwendig sein, was die Markteinführung weiter verzögert.

Um diese Herausforderungen zu meistern, können Entwickler integrierte 3D-Hall-Effekt-Positionssensor-ICs mit einer internen Berechnungsfunktion verwenden. Diese ICs vereinfachen das Softwaredesign und reduzieren die Belastung des Systemprozessors um bis zu 25 %, was den Einsatz einer kostengünstigen Mehrzweck-MCU ermöglicht. Sie können auch schnelle Abtastraten und geringe Latenzzeiten für eine präzise Echtzeitsteuerung bieten. In batteriebetriebenen Geräten können 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren mit Tastverhältnissen von 5 Hertz (Hz) oder weniger betrieben werden, um den Stromverbrauch zu minimieren. Darüber hinaus maximieren integrierte Funktionen und Diagnosen die Designflexibilität sowie die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Grundlagen der 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren und beschreibt ihre Verwendung in der Robotik, bei der Manipulationserkennung, bei der Steuerung menschlicher Schnittstellen und bei kardanischen Motorsystemen. Anschließend werden Beispiele für hochpräzise, lineare 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren von Texas Instruments vorgestellt, zusammen mit zugehörigen Evaluierungsboards und Implementierungsanleitungen, die den Entwicklungsprozess beschleunigen.

Was sind 3D-Hall-Effekt-Sensoren?

3D-Hall-Effekt-Sensoren können Informationen über das gesamte Magnetfeld sammeln, was die Verwendung von Abstands- und Winkelmessungen zur Positionsbestimmung in 3D-Umgebungen ermöglicht. Die beiden häufigsten Anordnungen für diese Sensoren sind auf der Achse und koplanar mit der magnetischen Polarisation (Abbildung 1). Wird das Feld auf der Polarisationsachse platziert, liefert es dem Sensor einen unidirektionalen Eingang, der zur Positionsbestimmung verwendet werden kann. Die koplanare Anordnung erzeugt einen Feldvektor, der parallel zur Magnetfläche verläuft, unabhängig von der Entfernung zum Sensor, und ermöglicht so auch die Positions- und Winkelbestimmung.

Abbildung 1: 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren können auf der Achse oder koplanar zum Magnetfeld angebracht werden, um Abstand und Winkelbewegung zu messen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Industrie4.0-Systeme wie z. B. Roboter benötigen eine mehrachsige Bewegungssensorik zur Messung des Winkels von Roboterarmen oder an jedem Rad von mobilen Robotern, um die Navigation und präzise Bewegung in einer Anlage zu unterstützen. Integrierte 3D-Hall-Effekt-Sensoren sind für diese Aufgaben gut geeignet, da sie unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Schmutz sind. Koplanare Messungen ermöglichen hochgenaue Magnetfeldmessungen an rotierenden Wellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Integrierte 3D-Hall-Effekt-Sensoren können die Wellendrehung in Robotern und anderen Industrie4.0-Anwendungen messen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Sichere Gehäuse wie Strom- und Gaszähler, Geldautomaten, Unternehmensserver und elektronische Verkaufsstellen können mit Hilfe von Feldmessungen in der Achse Eindringlinge erkennen (Abbildung 3). Wenn das Gehäuse geöffnet wird, nimmt die vom 3D-Hall-Effekt-Sensor erfasste Flussdichte (B) ab, bis sie unter den für den Hall-Schalter spezifizierten Flussfreigabepunkt (B_RP) fällt, woraufhin der Sensor einen Alarm ausgibt. Wenn das Gehäuse geschlossen ist, muss die magnetische Flussdichte im Verhältnis zum B_RP groß genug sein, um Fehlalarme zu vermeiden. Da die Flussdichte eines Magneten mit steigender Temperatur tendenziell abnimmt, kann die Verwendung eines 3D-Hall-Effekt-Sensors mit Temperaturkompensationsfunktion die Systemzuverlässigkeit von Gehäusen in Industrie- oder Außenumgebungen verbessern.

Abbildung 3: Die Erkennung von Manipulationen am Gehäuse kann mit 3D-Hall-Effekt-Sensoren realisiert werden, um unbefugten Zugriff zu erkennen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Benutzerschnittstellen und Steuerungen in Haushaltsgeräten, Test- und Messgeräten sowie persönlicher Elektronik können von der Nutzung aller drei Bewegungsachsen profitieren. Ein Sensor kann die Bewegung in der X- und Y-Ebene überwachen, um die Drehung einer Wählscheibe zu erkennen, und er kann erkennen, wenn die Wählscheibe gedrückt wird, indem er eine große Verschiebung in den magnetischen X- und Y-Achsen überwacht. Durch die Überwachung der Z-Achse kann das System Fehlausrichtungen erkennen und Warnungen über Verschleiß oder Schäden senden, die eine vorbeugende Wartung des Zifferblatts erforderlich machen könnten.

Kardanische Motorsysteme in handgehaltenen Kamerastabilisatoren und Drohnen profitieren von der Verwendung von 3D-Hall-Effekt-Sensoren mit wählbaren Magnetfeldempfindlichkeitsbereichen und anderen programmierbaren Parametern, die Winkelmessungen an eine MCU liefern (Abbildung 4). Die MCU passt die Motorposition kontinuierlich an, wenn dies zur Stabilisierung der Plattform erforderlich ist. Ein Sensor, der Winkel in der Achse und achsenfern genau und präzise messen kann, bietet Flexibilität bei der mechanischen Konstruktion.

Abbildung 4: Kardanische Motoren in tragbaren Kameraplattformen und Drohnen profitieren von 3D-Hall-Effekt-Sensoren mit wählbaren Magnetfeldempfindlichkeitsbereichen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bei Messungen außerhalb der Ebene kommt es häufig zu unterschiedlichen Magnetfeldstärken (Verstärkungen) und unterschiedlichen Versätzen in verschiedenen Achsen, was zu Fehlern bei der Winkelberechnung führen kann. Die Verwendung eines 3D-Hallsensors mit Verstärkungs- und Offsetkorrekturen ermöglicht eine flexible Positionierung des Sensors relativ zum Magneten und gewährleistet eine möglichst genaue Winkelberechnung.

Flexible 3D-Hall-Effekt-Sensoren

Texas Instruments bietet Entwicklern eine Auswahl an dreiachsigen linearen Hall-Effekt-Sensoren, darunter die Familie TMAG5170 von hochpräzisen linearen 3D-Hall-Effekt-Sensoren mit einer seriellen Peripherieschnittstelle (SPI) mit 10 Megahertz (MHz) und zyklischer Redundanzprüfung (CRC) sowie die Familie TMAG5273 von linearen 3D-Hall-Effekt-Sensoren mit geringem Stromverbrauch, I²C-Schnittstelle und CRC.

Die TMAG5170-Bausteine sind für eine schnelle und genaue Positionserfassung optimiert und zeichnen sich durch folgende Merkmale aus: Gesamtfehler der linearen Messung von ±2,6 % (maximal bei 25 °C); Temperaturdrift der Empfindlichkeit von ±2,8 % (maximal) und eine Wandlungsrate von 20 Kilosamples pro Sekunde (KS/s) für eine einzelne Achse. Die TMAG7273-Bausteine verfügen über stromsparende Modi, darunter: 2,3 Milliampere (mA) Strom im aktiven Modus, 1 Mikroampere (µA) Strom im Aufwach- und Schlafmodus und 5 Nanoampere (nA) Strom im Schlafmodus. Diese ICs umfassen vier primäre Funktionsblöcke (Abbildung 5):

• Der Energiemanagement- und Oszillator-Block umfasst Unter- und Überspannungserkennung, Vorspannung und Oszillatoren.
• Hallsensoren und die zugehörige Vorverarbeitung mit Multiplexern, Rauschfiltern, Temperaturmessung, Integratorschaltung und einem Analog/Digital-Wandler (ADC) bilden den Block für Sensorik und Temperaturmessung.
• Die Schaltung zur Kommunikationssteuerung, der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD), die Ein-/Ausgabefunktionen und CRC sind im Schnittstellenblock enthalten.
• Der digitale Kern enthält Diagnoseschaltkreise für obligatorische und benutzerdefinierte Diagnoseprüfungen, andere Verwaltungsfunktionen und ein integriertes Winkelberechnungsmodul, das 360°-Winkelpositionsinformationen sowohl für achsnahe als auch achsferne Winkelmessungen liefert.

Abbildung 5: Mit Ausnahme einer SPI-Schnittstelle (siehe oben) bei den TMAG5170-Modellen und einer I²C-Schnittstelle bei den TMAG5273-Modellen sind die internen Funktionsblöcke bei beiden Familien von 3D-Hall-Effekt-Sensor-ICs gleich. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die TMAG5170-Bausteine werden in einem 8-poligen VSSOP-Gehäuse mit den Abmessungen 3,00 x 3,00 Millimeter (mm) geliefert und sind für einen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +150°C spezifiziert. Der TMAG5170A1 umfasst Empfindlichkeitsbereiche von ±25 Millitesla (mT), ±50 mT und ±100 mT, während der TMAG5170A2 ±75 mT, ±150 mT und ±300 mT unterstützt.

Die stromsparende TMAG5273-Familie verwendet 6-polige DBV-Gehäuse mit den Abmessungen 2,90 x 1,60 mm und ist für einen Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +125°C spezifiziert. Außerdem wird er in zwei verschiedenen Modellen angeboten: dem TMAG5273A1 mit Empfindlichkeitsbereichen von ±40 mT und ±80 mT und dem TMAG5273A2, der ±133 mT und ±266 mT unterstützt.

Zwei vom Benutzer gewählte magnetische Achsen werden für die Winkelberechnung verwendet. Die Auswirkungen mechanischer Fehlerquellen des Systems werden durch magnetische Verstärkungs- und Offsetkorrekturen minimiert. Die integrierte Temperaturkompensationsfunktion kann verwendet werden, um Temperaturänderungen im Magneten oder im Sensor unabhängig voneinander auszugleichen. Diese 3D-Hall-Effekt-Sensoren können über die Kommunikationsschnittstelle konfiguriert werden, um benutzergesteuerte Kombinationen von magnetischen Achsen und Temperaturmessungen zu ermöglichen. Der ALERT-Pin des TMAG5170 bzw. der INT-Pin des TMAG5273 kann von einer MCU verwendet werden, um eine neue Sensorumwandlung auszulösen.

Evaluierungsboards helfen beim Einstieg

Texas Instruments bietet auch zwei Evaluierungsboards an, eines für die Serie TMAG5170 und eines für die Serie TMAG5273, um grundlegende Funktionsprüfungen zu ermöglichen (Abbildung 6). Das TMAG5170EVM enthält sowohl das TMAG5170A1- als auch das TMAG5170A2-Modell auf einer abtrennbaren Leiterplatte. Der TMAG5273EVM enthält die Modelle TMAG5273A1 und TMAG5273A2 auf einer abtrennbaren Leiterplatte. Sie umfassen eine Sensorsteuerungsplatine, die mit der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) verbunden ist, um Messungen anzuzeigen und zu speichern sowie Register zu lesen und zu schreiben. Das 3D-gedruckte Dreh-Druck-Modul wird verwendet, um gängige Funktionen der Winkelmessung zu testen.

Abbildung 6: Das TMAG5170EVM und das TMAG5273EVM enthalten beide trennbare Platinen mit zwei verschiedenen 3D-Hall-Effekt-Sensor-ICs (unten rechts), eine Sensorsteuerplatine (unten links), ein 3D-gedrucktes Dreh- und Druckmodul (Mitte) sowie ein USB-Kabel zur Stromversorgung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Abbildung 7: Illustration des 3D-gedruckten Dreh- und Druckmoduls, das auf dem EVM montiert ist. (Bildquelle: Texas Instruments)

Verwendung der 3D-Hall-Sensoren

Bei der Verwendung dieser 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren müssen Entwickler einige Überlegungen zur Implementierung anstellen:

• Die SPI-Auslesung des Ergebnisregisters im TMAG5170 bzw. die I²C-Auslesung im TMAG5273 muss mit der Aktualisierungszeit der Konvertierung synchronisiert werden, um sicherzustellen, dass die richtigen Daten gelesen werden. Das ALERT-Signal am TMAG5170 bzw. das INT-Signal am TMAG5273 kann verwendet werden, um den Controller zu benachrichtigen, wenn eine Konvertierung abgeschlossen ist und die Daten bereit sind.
• Ein niederinduktiver Entkopplungskondensator muss in der Nähe des Sensorstifts platziert werden. Es wird ein Keramikkondensator mit einem Wert von mindestens 0,01 Mikrofarad (μF) empfohlen.
• Diese Hall-Effekt-Sensoren können in Gehäuse aus Nichteisenwerkstoffen wie Kunststoff oder Aluminium eingebettet werden, wobei sich die Sensormagnete auf der Außenseite befinden. Sensoren und Magnete können auch auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte angebracht werden.

Fazit

Mit der zunehmenden Entwicklung von 3D-Bewegungen und -Steuerungen müssen Konstrukteure genaue Messungen in Echtzeit durchführen und gleichzeitig die Kosten durch ein vereinfachtes Design und einen minimalen Stromverbrauch niedrig halten. Wie gezeigt, bieten die integrierten 3D-Hall-Effekt-Sensoren TMAG5170 und TMAG5273 die Möglichkeit, schnelle Abtastraten und niedrige Latenzzeiten für eine präzise Echtzeitsteuerung oder langsame Abtastraten zur Minimierung des Stromverbrauchs in batteriebetriebenen Geräten zu nutzen. Die integrierte Verstärkungs- und Offsetkorrektur, kombiniert mit einer unabhängigen Temperaturkorrektur für Magnet und Sensor, gewährleistet eine hohe Genauigkeit.

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