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

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.

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.

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl