本文回顧3D霍爾效應(yīng)位置感測器的基礎(chǔ)知識，並描述在機器人、篡改偵測、人機介面控制和萬向節(jié)馬達系統(tǒng)中的用途；以及介紹高精密度線性3D霍爾效應(yīng)位置感測器的範例。

用於即時控制的3D位置感測在各種工業(yè)4.0應(yīng)用中不斷增加，從工業(yè)機器人、自動化系統(tǒng)，到掃地機器人和保全。3D霍爾效應(yīng)位置感測器是這些應(yīng)用的理想選擇；它們具有高重複性和可靠性，還可以與窗戶、門和外殼搭配，進行入侵或磁性篡改偵測。

儘管如此，使用霍爾效應(yīng)感測器設(shè)計有效且安全的3D感測系統(tǒng)可能複雜且耗時?；魻栃?yīng)感測器需要與足夠強大的微控制器（MCU）介接，以充當角度計算引擎並執(zhí)行量測平均，以及增益和偏移補償，以確定磁體方向和3D位置。MCU還需要處理各種診斷，包括監(jiān)測磁場、系統(tǒng)溫度、通訊、連續(xù)性、內(nèi)部訊號路徑和電源。

除了硬體設(shè)計之外，軟體開發(fā)也可能複雜且耗時，進而延遲產(chǎn)品上市的時間。

為了因應(yīng)這些挑戰(zhàn)，設(shè)計人員可以使用含內(nèi)部計算引擎的整合式霍爾效應(yīng) 3D位置感測器 IC。這些 IC簡化軟體設(shè)計，並將系統(tǒng)處理器的負載降低多達 25%，因此可以使用低成本的一般用途MCU。還可以提供快速採樣率和低延遲，達到準確的即時控制。針對電池供電的裝置，3D霍爾效應(yīng)位置感測器可以在 5 Hz或更小的工作週期下運作，最大程度降低功耗。此外，整合功能和診斷功能可最大程度提高設(shè)計靈活性以及系統(tǒng)安全性和可靠性。

本文回顧3D霍爾效應(yīng)位置感測器的基礎(chǔ)知識，並描述在機器人、篡改偵測、人機介面控制和萬向節(jié)馬達系統(tǒng)中的用途。接著介紹德州儀器（Texas instruments；TI）高精密度線性 3D霍爾效應(yīng)位置感測器的範例，以及相關(guān)的評估板和實作指南，以加速開發(fā)過程。

3D霍爾效應(yīng)感測器

3D霍爾效應(yīng)感測器可以蒐集完整磁場的相關(guān)資訊，進而使用距離和角度量測來確定3D環(huán)境中的位置。這些感測器最常見的兩種放置方式是在軸上以及與磁極化共面（圖 1）。放置在偏振軸上時，該場向感測器提供單向輸入，可用於判定位置。無論感測器的距離如何，共面放置都會產(chǎn)生一個平行於磁體面的場向量，還可以判定位置和角度。

圖1 : 3D霍爾效應(yīng)位置感測器可以與磁場同軸或共面放置，以測量距離和角動作。（source：Texas Instruments）

工業(yè) 4.0 系統(tǒng)（如機器人）需要多軸動作感測來量測機械臂的角度，或者在移動機器人的每個輪子上量測，以支援整個設(shè)施的導航和精確移動。整合式 3D 霍爾效應(yīng)感測器非常適合這些任務(wù)，因為它們不易受潮濕或髒污的影響。共面量測提供旋轉(zhuǎn)軸的高精密度磁場量測（圖 2）。

圖2 : 整合式 3D 霍爾效應(yīng)感測器可以量測機器人和其他工業(yè) 4.0 應(yīng)用的軸旋轉(zhuǎn)。（source：Texas Instruments）

電表、瓦斯錶、自動提款機（ATM）、企業(yè)伺服器和電子銷售點設(shè)備等安全外殼可以使用軸上場量測來偵測入侵（圖 3）。當外殼開啟時，3D 霍爾效應(yīng)感測器感應(yīng)到的磁通密度（B）會降低，直到低於霍爾開關(guān)的磁通釋放點（BRP）規(guī)範，此時感測器會發(fā)送警報。當外殼關(guān)閉時，磁通密度必須相對於BRP 夠大，以防止誤報。由於磁體的磁通密度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(yīng)感測器，可以提高工業(yè)或戶外環(huán)境中使用的外殼的系統(tǒng)可靠性。

圖3 : 可以使用 3D 霍爾效應(yīng)感測器進行外殼篡改偵測，以識別未授權(quán)的存取。（source：Texas Instruments）

家電、測試和量測設(shè)備以及個人電子產(chǎn)品中的人機介面和控制，受益於所有三個動作軸的使用。感測器監(jiān)測X和Y平面上的動作以識別轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)，並且透過監(jiān)測X和 Y磁軸的大位移來識別轉(zhuǎn)盤何時被推動。監(jiān)控Z軸讓系統(tǒng)能夠識別錯位，並就表盤可能需要預(yù)防性維護的磨損或損壞發(fā)送警報。

手持相機穩(wěn)定器和無人機中的萬向節(jié)馬達系統(tǒng)，受益於具有可選磁場靈敏度範圍和其他可編程參數(shù)的 3D 霍爾效應(yīng)感測器，為MCU提供角度量測（圖 4）。MCU依據(jù)需求，持續(xù)調(diào)整馬達位置以穩(wěn)定平臺。準確、精確地量測軸上和離軸位置角度的感測器提供機械設(shè)計靈活性。

圖4 : 手持相機平臺和無人機中的萬向節(jié)馬達受益於具有可選磁場靈敏度範圍的 3D 霍爾效應(yīng)感測器。（source：Texas Instruments）

平面外量測通常會導致不同的磁場強度（增益）和不同軸的不同偏移，這可能會造成角度計算錯誤。使用含增益和偏移校正的3D霍爾感測器，在相對於磁體放置感測器時支援靈活性，確保最準確的角度計算。

靈活的 3D 霍爾效應(yīng)感測器

TI為設(shè)計人員提供一系列三軸線性霍爾效應(yīng)感測器，包括具有10 MHz序列周邊介面（SPI）和循環(huán)冗餘檢查（CRC）的TMAG5170系列高精密度3D線性霍爾效應(yīng)感測器，以及TMAG5273系列具有 I2C介面和CRC的低功率線性3D霍爾效應(yīng)感測器。

TMAG5170 元件經(jīng)過最佳化以達到快速準確的位置感測，包括±2.6%的線性測量總誤差 （25°C 時為最大值）；靈敏度溫度漂移為±2.8%（最大值）；單軸 20 Ksps的轉(zhuǎn)換率。TMAG7273元件具有低功耗模式，包括2.3 mA主動模式電流；1 μA喚醒和睡眠模式電流；5 nA 睡眠模式電流。這些 IC包括四個主要功能塊（圖 5）：

? 電源管理和振盪器模組，包括欠壓和過壓偵測、偏置和振盪器。

? 霍爾感測器以及多工器、雜訊濾波器、溫度感測、積體電路、類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器 （ADC） 相關(guān)的偏置構(gòu)成感測和溫度測量模組。

? 通訊控制電路、靜電放電（ESD）保護、輸入／輸出（I/O）功能和CRC都包含在介面模組中。

? 數(shù)位核心包含用於強制和使用者啟用診斷檢查的診斷電路、其他內(nèi)務(wù)管理功能，以及一個整合式角度計算引擎，可為軸上和離軸角度量測提供 360° 角度位置資訊。

圖5 : 除了TMAG5170型號上的SPI介面和TMAG5273型號上的I2C介面外，兩款 3D霍爾效應(yīng)感測器IC系列的內(nèi)部功能區(qū)塊相同。（source：Texas Instruments）

TMAG5170元件採用8引腳 VSSOP封裝，尺寸為 3.00 x 3.00 mm，額定環(huán)境溫度範圍為 -40°C 至 +150°C。TMAG5170A1 包括 ±25 mT、±50 mT和 ±100 mT的靈敏度範圍，而 TMAG5170A2 支援 ±75 mT、±150 mT、±300 mT。

低功率 TMAG5273 系列採用 6 引腳 DBV 封裝，尺寸為 2.90 x 1.60 mm，額定環(huán)境溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。還提供兩種不同的型號；靈敏度範圍為 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支援 ±133 mT 和 ±266 mT 的 TMAG5273A2。

兩種使用者可選的磁軸用於角度計算。透過磁增益和偏移校正，將系統(tǒng)機械誤差源的影響降至最低。板載溫度補償功能可用於獨立補償磁體或感測器的溫度變化。這些 3D 霍爾效應(yīng)感測器可以透過通訊介面進行配置，允許使用者控制的磁軸和溫度量測組合。MCU可以使用TMAG5170的ALERT引腳或TMAG5273的INT引腳來觸發(fā)新的感測器轉(zhuǎn)換。

評估板協(xié)助入門

至於兩款分別用於 TMAG5170 系列及TMAG5273 系列的評估板，可以進行基本功能評估（圖 6）。TMAG5170EVM將TMAG5170A1和TMAG5170A2型號涵蓋在一個卡扣式 PC 板上。其中包括一個感測器控制板，與圖形使用者介面（GUI）介接，以查看和儲存測量值，以及讀取和寫入暫存器。3D列印的旋轉(zhuǎn)和推動模組用於測試角度量測的常用功能。

圖6 : TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一個具有兩個不同 3D 霍爾效應(yīng)感測器 IC（右下）、一個感測器控制板（左下）、3D 列印旋轉(zhuǎn)和推動模組（中）和一條 USB 纜線提供電源。（source：Texas Instruments）

圖7 : 安裝在 EVM 頂部的 3D 列印旋轉(zhuǎn)和推動模組示意圖。（source：Texas Instruments）

使用 3D 霍爾感測器

使用這些3D霍爾效應(yīng)位置感測器時，設(shè)計人員需要注意一些實作事項：

? TMAG5170內(nèi)結(jié)果暫存器的 SPI 讀取，或TMAG5273中的I2C讀取，需要與轉(zhuǎn)換更新時間同步，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。TMAG5170的ALERT訊號或TMAG5273的 INT訊號可在轉(zhuǎn)換完成且數(shù)據(jù)就緒時通知控制器。

? 低電感去耦電容必須靠近感測器引腳放置。建議使用至少為 0.01 μF 的陶瓷電容。

? 這些霍爾效應(yīng)感測器可以嵌入由塑料或鋁等非鐵材料製成的外殼中，感應(yīng)磁鐵位於外部。感測器和磁鐵也可以放置在印刷電路板的相對兩側(cè)。

結(jié)論

隨著3D動作和控制的發(fā)展，設(shè)計人員需要即時獲得準確的量測結(jié)果，同時透過簡化設(shè)計將成本降至最低，同時還要最大程度地降低功耗。TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍爾效應(yīng)感測器能夠解決這些問題，提供快速採樣率和低延遲的靈活性，達到準確的即時控制，或低採樣率以最大程度地降低電池供電裝置的功耗。整合式增益和偏移校正算法確保高準確度，並結(jié)合磁體和感測器的獨立溫度校正。

（本文作者Barley Li為Digi-Key Electronics亞太區(qū)技術(shù)內(nèi)容部門應(yīng)用工程經(jīng)理）