原标题：如何为实时控制实现快速、精确和低功耗的位置传感

　　用于实时控制的三维 (3D) 位置传感的使用在各种工业 4.0 应用中不断增长，从工业机器人和自动化系统到机器人真空吸尘器和安全。3D 霍尔效应位置传感器是这些应用的理想选择，因为它们具有高重复性和可靠性，并且还可以与窗户、门和外壳一起使用，以进行入侵或磁性篡改检测。

　　尽管如此，使用霍尔效应传感器设计有效且安全的 3D 传感系统可能是一个复杂且耗时的过程。霍尔效应传感器需要与功能强大的微控制器 (MCU) 连接，以充当角度计算引擎并执行测量平均以及增益和偏移补偿，以确定磁体方向和 3D 位置。MCU 还需要处理各种诊断，包括监测磁场、系统温度、通信、连续性、内部信号路径和电源。

　　除了硬件设计之外，软件开发也可能是复杂且耗时的，从而进一步延迟了产品上市时间。

　　为了应对这些挑战，设计人员可以使用具有内部计算引擎的集成霍尔效应 3D 位置传感器 IC。这些 IC 简化了软件设计并将系统处理器的负载降低了多达 25%，从而能够使用低成本的通用 MCU。它们还可以提供快速采样率和低延迟，以实现准确的实时控制。在电池供电的设备中，3D 霍尔效应位置传感器可以在 5 赫兹 (Hz) 或更小的占空比下运行，以最大限度地降低功耗。此外，集成功能和诊断功能最大限度地提高了设计灵活性以及系统安全性和可靠性。

　　本文回顾了 3D 霍尔效应位置传感器的基础知识，并描述了它们在机器人、篡改检测、人机界面控制和万向节电机系统中的用途。然后介绍德州仪器(TI)的高精度线性 3D 霍尔效应位置传感器示例，以及相关的评估板和实施指南，以加快开发过程。

　　什么是 3D 霍尔效应传感器?

　　3D 霍尔效应传感器可以收集有关完整磁场的信息，从而能够使用距离和角度测量来确定 3D 环境中的位置。这些传感器最常见的两种放置方式是在轴上并与磁极化共面(图 1)。当放置在偏振轴上时，该场向传感器提供单向输入，可用于位置确定。无论传感器的距离如何，共面放置都会产生一个平行于磁体面的场矢量，还可以确定位置和角度。

　　图 1：3D 霍尔效应位置传感器可以与磁场同轴或共面放置，以测量距离和角运动。(图片来源：德州仪器)

　　机器人等工业 4.0 系统需要多轴运动传感来测量机械臂的角度，或者在移动机器人的每个轮子上测量以支持整个设施的导航和精确移动。集成的 3D 霍尔效应传感器非常适合这些任务，因为它们不易受潮或污垢的影响。共面测量提供旋转轴的高精度磁场测量(图 2)。

　　图 2：集成的 3D 霍尔效应传感器可以测量机器人和其他工业 4.0 应用中的轴旋转。(图片来源：德州仪器)

　　诸如电表和燃气表、自动取款机 (ATM)、企业服务器和电子销售点设备等安全外壳可以使用轴上现场测量来检测入侵(图 3)。当外壳打开时，3D 霍尔效应传感器感应到的磁通密度 (B) 会降低，直到低于霍尔开关的磁通释放点 (B RP ) 规格，此时传感器会发出警报。当外壳关闭时，磁通密度相对于 B RP必须足够大以防止虚假警报。由于磁体的磁通密度会随着温度的升高而降低，因此使用具有温度补偿功能的 3D 霍尔效应传感器可以提高工业或户外环境中使用的外壳的系统可靠性。

　　图 3：外壳篡改检测可以通过 3D 霍尔效应传感器实现，以识别未经授权的访问。(图片来源：德州仪器)

　　家用电器、测试和测量设备以及个人电子产品中的人机界面和控件可以受益于所有三个运动轴的使用。传感器可以监测 X 和 Y 平面上的运动以识别转盘的旋转，并且可以通过监测 X 和 Y 磁轴的大位移来识别转盘何时被推动。监控 Z 轴使系统能够识别未对准情况，并就表盘可能需要预防性维护的磨损或损坏发送警报。

　　手持相机稳定器和无人机中的万向节电机系统受益于使用具有可选磁场灵敏度范围和其他可编程参数的 3D 霍尔效应传感器，以向 MCU 提供角度测量(图 4)。MCU 根据需要不断调整电机位置以稳定平台。能够准确地测量轴上和离轴位置角度的传感器提供了机械设计的灵活性。

　　图 4：手持相机平台和无人机中的万向节电机受益于具有可选磁场灵敏度范围的 3D 霍尔效应传感器。(图片来源：德州仪器)

　　平面外测量通常会导致不同的磁场强度(增益)和不同轴的不同偏移，这可能会导致角度计算错误。使用带有增益和偏移校正的 3D 霍尔传感器，在相对于磁体放置传感器时支持灵活性，确保最准确的角度计算。

　　灵活的 3D 霍尔效应传感器

　　德州仪器为设计人员提供了一系列三轴线性霍尔效应传感器，包括具有 10 兆赫 (MHz) 串行外设接口 (SPI) 和循环冗余校验 (CRC) 的 TMAG5170 系列高精度 3D 线性霍尔效应传感器，以及;TMAG5273 系列具有 I²C 接口和 CRC 的低功耗线性 3D 霍尔效应传感器。

　　TMAG5170 器件针对快速准确的位置传感进行了优化，包括： ±2.6% 的线性测量总误差(25°C 时的最大值);灵敏度温度漂移为 ±2.8%(最大值)，并且;单轴每秒 20 千采样 (Ksps) 的转换率。TMAG7273 器件具有低功耗模式，包括： 2.3 毫安 (mA) 活动模式电流;1 微安 (µA) 唤醒和睡眠模式电流，以及;5 纳安 (nA) 睡眠模式电流。这些 IC 包括四个主要功能块(图 5)：

　　电源管理和振荡器模块包括欠压和过压检测、偏置和振荡器。

　　霍尔传感器以及与多路复用器、噪声滤波器、温度传感、积分器电路和模数转换器 (ADC) 相关的偏置构成了传感和温度测量模块。

　　通信控制电路、静电放电 (ESD) 保护、输入/输出 (I/O) 功能和 CRC 都包含在接口模块中。

　　数字核心包含用于强制和用户启用的诊断检查的诊断电路、其他内务管理功能，以及一个集成的角度计算引擎，可为轴上和离轴角度测量提供 360° 角度位置信息。

　　图 5：除了 TMAG5170 型号上的 SPI 接口(如上所示)和 TMAG5273 型号上的 I²C 接口外，两个 3D 霍尔效应传感器 IC 系列的内部功能块相同。(图片来源：德州仪器)

　　TMAG5170 器件采用 8 引脚 VSSOP 封装，尺寸为 3.00 x 3.00 毫米 (mm)，额定环境温度范围为 –40°C 至 +150°C。TMAG5170A1包括 ±25 毫特斯拉 (mT)、±50 mT 和 ±100 mT 的灵敏度范围，而TMAG5170A2支持±75 mT、±150 mT 和 ±300 mT。

　　低功耗 TMAG5273 系列采用 6 引脚 DBV 封装，尺寸为 2.90 x 1.60 mm，额定环境温度范围为 –40°C 至 +125°C。它还提供两种不同的型号;灵敏度范围为 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支持± 133 mT 和 ±266 mT的TMAG5273A2 。

　　两个用户选择的磁轴用于角度计算。通过磁增益和偏移校正将系统机械误差源的影响降至最低。板载温度补偿功能可用于独立补偿磁体或传感器的温度变化。这些 3D 霍尔效应传感器可以通过通信接口进行配置，以实现用户控制的磁轴和温度测量组合。MCU 可以使用 TMAG5170 上的 ALERT 引脚或 TMAG5273 上的 INT 引脚来触发新的传感器转换。

　　评估板有助于入门

　　Texas Instruments 还提供两款评估板，一款用于TMAG5170系列，一款用于TMAG5273系列，以进行基本功能评估(图 6)。TMAG5170EVM 将 TMAG5170A1 和 TMAG5170A2 模型都包含在一个卡扣式 PC 板上。TMAG5273EVM 在卡扣式 PC 板上具有 TMAG5273A1 和 TMAG5273A2 型号。它们包括一个传感器控制板，它与图形用户界面 (GUI) 连接，以查看和保存测量值以及读取和写入寄存器。3D打印的旋转和推动模块用于测试角度测量的常用功能。

　　图 6：TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一个带有两个不同 3D 霍尔效应传感器 IC(右下)、一个传感器控制板(左下)、3D 打印旋转和推动模块(中心)和一个 USB电缆提供电力。(图片来源：德州仪器)

　　图 7：安装在 EVM 顶部的 3D 打印旋转和推动模块示意图。(图片来源：德州仪器)

　　使用 3D 霍尔传感器

　　在使用这些 3D 霍尔效应位置传感器时，设计人员需要注意一些实施注意事项：

　　TMAG5170 中结果寄存器的 SPI 读出，或 TMAG5273 中的 I²C 读出，需要与转换更新时间同步，以确保读取正确的数据。TMAG5170 上的 ALERT 信号或 TMAG5273 上的 INT 信号可用于在转换完成且数据准备好时通知控制器。

　　低电感去耦电容必须靠近传感器引脚放置。建议使用值至少为 0.01 微法 (μF) 的陶瓷电容器。

　　这些霍尔效应传感器可以嵌入由塑料或铝等有色金属材料制成的外壳中，感应磁铁位于外部。传感器和磁铁也可以放置在印刷电路板的相对两侧。

　　结论

　　随着 3D 运动和控制的发展，设计人员需要实时获得准确的测量结果，同时通过简化设计将成本降至最低，同时将功耗降至最低。如图所示，TMAG5170 和 TMAG5273 集成 3D 霍尔效应传感器解决了这些问题，提供了快速采样率和低延迟的灵活性，以实现准确的实时控制，或低采样率以最大限度地降低电池供电设备的功耗。集成的增益和偏移校正算法确保了高精度，并结合了磁体和传感器的独立温度校正。