Szybki i precyzyjny pomiar położenia przy niskim zużyciu energii umożliwia sterowanie w czasie rzeczywistym

Zastosowania trójwymiarowego (3D) czujnika położenia do sterowania w czasie rzeczywistym w przemyśle 4.0 są coraz szersze: od robotów przemysłowych i systemów zautomatyzowanych, po roboty-odkurzacze i systemy zabezpieczeń. Czujniki hallotronowe położenia 3D są dobrym rozwiązaniem w tych dziedzinach, ponieważ zapewniają wysoką powtarzalność i niezawodność, a także mogą być używane w połączeniu z oknami, drzwiami i obudowami w celu wykrywania włamań lub nieautoryzowanych ingerencji przy użyciu magnesów.

Mimo to zaprojektowanie skutecznego i bezpiecznego systemu pomiaru 3D z wykorzystaniem czujnika hallotronowego może być procesem złożonym i czasochłonnym. Czujnik hallotronowy musi być wyposażony w mikrokontroler MCU o mocy wystarczającej do obliczania kątów i uśredniania pomiarów, a także w funkcję kompensacji wzmocnienia i przesunięcia do określania orientacji magnesu i położenia w układzie trójwymiarowym. Mikrokontroler MCU musi również obsługiwać różne funkcje diagnostyczne, w tym monitorowanie pola magnetycznego, temperatury układu, komunikacji, ciągłości, wewnętrznej ścieżki sygnałowej i zasilania.

Poza projektowaniem sprzętu, równie skomplikowane i czasochłonne może być także tworzenie oprogramowania, co wydłuża czas wprowadzenia produktu na rynek.

Aby poradzić sobie z tym wyzwaniem, projektanci mogą użyć układów scalonych ze zintegrowanym czujnikiem hallotronowym położenia 3D z wewnętrznym aparatem obliczeniowym. Układy te upraszczają projektowanie oprogramowania i zmniejszają obciążenie procesora systemowego nawet o 25%, umożliwiając wykorzystanie niedrogiego mikrokontrolera MCU ogólnego przeznaczenia. Mogą one również zapewniać wysoką częstotliwość próbkowania i niską latencję, co pozwala na dokładne sterowanie w czasie rzeczywistym. W urządzeniach z zasilaniem bateryjnym czujniki hallotronowe położenia 3D mogą pracować w cyklach roboczych o częstotliwości 5Hz lub mniejszej, aby zminimalizować pobór mocy. Ponadto zintegrowane funkcje i diagnostyka zapewniają maksymalną elastyczność projektowania oraz bezpieczeństwo i niezawodność układu.

W niniejszym artykule omówiono podstawy czujników hallotronowych położenia 3D i opisano ich zastosowanie w robotyce, wykrywaniu nieautoryzowanych ingerencji, elementach sterowniczych interfejsu użytkownika i silnikach gimbalowych. W dalszej części przedstawiono przykłady precyzyjnych, liniowych czujników hallotronowych położenia 3D firmy Texas Instruments, wraz z opracowanymi dla nich płytkami ewaluacyjnymi i wskazówkami dotyczącymi wdrażania, które przyspieszą proces rozwoju.

Czym są czujniki hallotronowe 3D?

Czujniki hallotronowe 3D gromadzą informacje o całym polu magnetycznym, umożliwiając wykorzystanie pomiarów odległości i kąta do określania położenia w układach trójwymiarowych. Czujniki te są najczęściej umieszczane na osi i koplanarnie z polaryzacją magnetyczną (ilustracja 1). W przypadku umieszczenia ich na osi polaryzacji pole stanowi jednokierunkową wielkość wejściową dla czujnika, którą można wykorzystać do określenia pozycji. Umieszczenie komplanarne generuje wektor pola równoległy do powierzchni czołowej magnesu niezależnie od zakresu czujnika, co także umożliwia określenie położenia i kąta.

Ilustracja 1: czujniki hallotronowe położenia 3D mogą być umieszczone na osi lub koplanarnie względem pola magnetycznego w celu pomiaru odległości i ruchu kątowego. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Systemy przemysłu 4.0, takie jak roboty, wymagają wykrywania ruchu w wielu osiach w celu pomiaru kąta ramion robotów lub na poszczególnych kołach robotów mobilnych w celu wspomagania nawigacji i precyzyjnego poruszania się po całym obiekcie. Zintegrowane czujniki hallotronowe 3D doskonale nadają się do tych zadań, ponieważ nie są podatne na wilgoć ani brud. Pomiary komplanarne zapewniają wysoką dokładność pomiaru pola magnetycznego wałów obrotowych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zintegrowane czujniki hallotronowe 3D są w stanie mogą mierzyć obroty wału w robotach i innych zastosowaniach przemysłu 4.0. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Pomiary pola w osi mogą być stosowane do wykrywania włamań w urządzeniach w bezpiecznych obudowach, takich jak liczniki energii elektrycznej i gazu, bankomaty, serwery firmowe oraz elektroniczne wyposażenie punktów sprzedaży (ilustracja 3). Otwarcie obudowy powoduje zmniejszenie gęstości strumienia (B) wykrywanej przez czujnik halotronowy 3D, aż spadnie poniżej wartości zwalniania strumienia (B_RP) danego czujnika hallotronowego - wówczas czujnik wysyła sygnał alarmowy. Gdy obudowa jest zamknięta, gęstość strumienia magnetycznego musi być wystarczająco duża w stosunku do parametru B_RP, aby zapobiec fałszywym alarmom. Ponieważ gęstość strumienia magnesu zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, zastosowanie czujnika hallotronowego 3D z funkcją kompensacji temperatury może zwiększyć niezawodność układu dla obudów stosowanych w środowiskach przemysłowych lub zewnętrznych.

Ilustracja 3: wykrywanie nieautoryzowanych ingerencji w obudowę może być realizowane za pomocą czujników hallotronowych 3D w celu rozpoznania nieautoryzowanego dostępu. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Wykorzystanie trzech osi ruchu w interfejsach użytkownika i elementach sterujących w urządzeniach AGD/RTV oraz aparaturze kontrolno-pomiarowej i elektronice użytkowej może przynosić korzyści. Czujnik potrafi monitorować ruch w płaszczyznach X i Y w celu rozpoznania obrotu pokrętła oraz może rozpoznawać naciśnięcie pokrętła, monitorując znaczne przesunięcia w osi magnetycznej X i Y. Monitorowanie osi Z umożliwia układowi rozpoznawanie niewspółosiowości i wysyłanie ostrzeżeń o stanie zużycia lub uszkodzenia, który może wymagać przeprowadzenia konserwacji zapobiegawczej.

Silniki gimbalowe w ręcznych stabilizatorach kamer i dronach wykorzystują czujniki hallotronowe 3D z możliwością wyboru zakresów czułości pola magnetycznego i innych programowanych parametrów w celu zapewnienia pomiarów kąta dla mikrokontrolera MCU (ilustracja 4). Mikrokontroler w sposób ciągły reguluje położenie silnika, aby ustabilizować uchwyt. Czujnik, który jest w stanie precyzyjnie mierzyć kąty w osi i poza nią, zapewnia elastyczność konstrukcji mechanicznej.

Ilustracja 4: silniki gimbalowe w ręcznych uchwytach kamer i dronach korzystają z czujników hallotronowych 3D z możliwością wyboru zakresów czułości pola magnetycznego. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Pomiary poza płaszczyznami często powodują różne natężenia pola magnetycznego (wzmocnienia) i różne przesunięcia w różnych osiach, co może powodować błędy obliczeń kąta. Zastosowanie czujników hallotronowych 3D z korekcjami wzmocnienia i przesunięcia zapewnia elastyczność, jeśli chodzi o położenie czujnika względem magnesu, zapewniając najdokładniejsze obliczenia kąta.

Elastyczne czujniki hallotronowe 3D

Firma Texas Instruments oferuje projektantom szereg trójosiowych liniowych czujników hallotronowych, w tym grupę precyzyjnych liniowych czujników hallotronowych 3D TMAG5170 z szeregowym interfejsem urządzeń peryferyjnych (SPI) o częstotliwości 10MHz i z cykliczną kontrolą nadmiarową (CRC) oraz grupę liniowych czujników hallotronowych 3D małej mocy z interfejsem I²C i CRC.

Czujniki TMAG5170 są zoptymalizowane pod kątem szybkiego i dokładnego pomiaru położenia. Ich charakterystyka: całkowity błąd pomiaru liniowego ±2,6% (wartość maksymalna przy 25°C); dryft temperaturowy czułości ±2,8% (maksymalnie) oraz częstotliwość konwersji 20kSPS dla jednej osi. Czujniki TMAG7273 posiadają tryby niskiej mocy, takie jak: tryb aktywny, 2,3mA, tryb uśpienia i wybudzania 1µA oraz tryb uśpienia5nA. Omawiane układy scalone posiadają cztery podstawowe bloki funkcyjne (ilustracja 5):

• Blok zarządzania zasilaniem i oscylatora obejmuje wykrywanie podnapięcia i nadnapięcia, biasing i oscylatory.
• Blok wykrywania i pomiaru temperatury tworzą czujniki hallotronowe wraz z powiązanymi komponentami biasingu, m.in. multiplekserami, filtrami szumów, czujnikiem temperatury, obwodem całkującym oraz przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC).
• W bloku interfejsu znajdują się obwody sterowania komunikacją, zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), funkcje wejścia-wyjścia (I/O) i cykliczna kontrola nadmiarowa (CRC).
• Rdzeń cyfrowy zawiera obwody diagnostyczne do obowiązkowych i włączanych przez użytkownika kontroli diagnostycznych, inne funkcje porządkowe oraz zintegrowany aparat obliczania kąta, który dostarcza informacji o położeniu kątowym w zakresie 360° zarówno dla pomiarów kąta w osi, jak i poza nią.

Ilustracja 5: wewnętrzne bloki funkcyjne obu grup układów scalonych czujników hallotronowych 3D są takie same, z wyjątkiem tego, że modele TMAG5170 zawierają szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (przedstawiony powyżej) a modele TMAG5273 interfejs I²C. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Urządzenia TMAG5170 są dostarczane w 8-wtykowej obudowie VSSOP o wymiarach 3,00 x 3,00mm. Ich znamionowy zakres temperatur otoczenia wynosi od -40°C do +150°C. Czujnik TMAG5170A1 charakteryzuje się zakresami czułości ±25mT, ±50mT i ±100mT, natomiast czujnik TMAG5170A2 zakresami ±75mT, ±150mT i ±300mT.

Grupa czujników niskiej mocy TMAG5273 wykorzystuje 6-wtykowe obudowy DBV o wymiarach 2,90 x 1,60mm, a ich znamionowy zakres temperatur otoczenia wynosi od -40°C do +125°C. Omawiane czujniki są także oferowane w dwóch modelach: model TMAG5273A1 charakteryzuje się zakresami czułości ±40mT i ±80mT, a model TMAG5273A2 zakresami ±133mT i ±266mT.

Do obliczeń kąta wykorzystywane są dwie wybierane przez użytkownika osie magnetyczne. Wpływ mechanicznych źródeł błędów w układzie jest zminimalizowany dzięki magnetycznym korekcjom wzmocnienia i uchybu. Do niezależnej kompensacji zmian temperatury w magnesie lub czujniku można wykorzystać wbudowaną funkcję kompensacji temperatury. Czujniki hallotronowe 3D można skonfigurować za pomocą interfejsu komunikacyjnego, co pozwala użytkownikowi na konfigurację osi magnetycznych i pomiarów temperatury. Mikrokontroler MCU do uruchamiania nowej konwersji w czujniku TMAG5170 może wykorzystywać wtyk ALERT, a w czujniku TMAG5273 - wtyk INT.

Płytki ewaluacyjne wspomagają rozpoczęcie pracy

Firma Texas Instruments oferuje również dwie płytki ewaluacyjne, jedną dla czujników serii TMAG5170 i jedną dla czujników serii TMAG5273, udostępniając podstawowe funkcje oceny funkcjonalnej (ilustracja 6). Do płytki ewaluacyjnej TMAG5170EVM dołączony jest zarówno czujnik TMAG5170A1, jak i TMAG5170A2 w postaci rozłączalnej płytki drukowanej („snap-apart”). Do płytki ewaluacyjnej TMAG5273EVM dołączony jest zarówno czujnik TMAG5273A1, jak i TMAG5273A2 w postaci rozłączalnej płytki drukowanej („snap-apart”). Zawierają one płytkę sterującą czujnika, która współpracuje z graficznym interfejsem użytkownika (GUI), umożliwiając wyświetlanie i zapisywanie pomiarów oraz odczyt i zapis rejestrów. Do testowania typowych funkcji pomiaru kątowego służy wydrukowany w technologii 3D moduł obrotowo-przyciskowy.

Ilustracja 6: w skład zestawu płytek ewaluacyjnych TMAG5170EVM i TMAG5273EVM wchodzą: płytka rozłączalna z dwoma różnymi układami scalonymi czujnika hallotronowego 3D (w prawym dolnym rogu), płytka sterująca czujnika (w lewym dolnym rogu), wydrukowany w technologii 3D moduł obrotowo-przyciskowy (środek) oraz kabel USB do zasilania. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Ilustracja 7: ilustracja wydrukowanego w technologii 3D modułu obrotowo-przyciskowego zamontowanego na płytce ewaluacyjnej. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Korzystanie z czujników hallotronowych3D

Korzystając z przedstawionych czujników hallotronowych położenia 3D, projektanci muszą zdawać sobie sprawę z kilku kwestii związanych z wdrażaniem:

• Aby zapewnić prawidłowy odczyt danych, odczyt z szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych w rejestrze wyników w czujniku TMAG5170, czy też odczyt z interfejsu I²C w czujniku TMAG5273, konieczna jest synchronizacja z czasem aktualizacji konwersji. Sygnał z wyjścia ALERT w czujniku TMAG5170 lub sygnał z wyjścia INT w czujniku TMAG5273 można wykorzystać do powiadamiania sterownika o zakończeniu konwersji i gotowości danych.
• W pobliżu wtyku czujnika musi znajdować się kondensator odsprzęgający o niskiej indukcyjności. Zaleca się stosowanie kondensatora ceramicznego o pojemności co najmniej 0,01μF.
• Wspomniane czujniki hallotronowe mogą być zamknięte w obudowach wykonanych z materiałów nieżelaznych, takich jak plastik lub aluminium, z magnesami czujnikowymi na zewnątrz. Czujniki i magnesy mogą być również umieszczone po przeciwnych stronach płytki drukowanej.

Podsumowanie

Wraz z rozwojem procesów ruchu i sterowania w trzech wymiarach projektanci potrzebują dokładnych pomiarów w czasie rzeczywistym, przy jednoczesnym zachowaniu minimalnych kosztów dzięki uproszczonej konstrukcji oraz jednoczesnym zminimalizowaniu poboru mocy. Zintegrowane czujniki hallotronowe 3D TMAG5170 i TMAG5273 pozwalają uporać się z tymi problemami. Zapewniają wysoką elastyczność, gdyż można je ustawić na wysoką częstotliwość próbkowania i małą latencję, aby osiągnąć dokładne sterowanie w czasie rzeczywistym lub na niską częstotliwość próbkowania, aby zminimalizować pobór mocy w urządzeniach z zasilaniem bateryjnym. Wysoką dokładność gwarantują zintegrowane algorytmy korekcji wzmocnienia i uchybu w połączeniu z niezależną korekcją temperatury dla magnesu i czujnika.

Rekomendowane artykuły

1. Podstawy czujników zbliżeniowych: dobór i stosowanie w automatyce przemysłowej
2. Dlaczego i jak korzystać z szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych w celu uproszczenia połączeń między wieloma urządzeniami