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3D霍爾效應傳感器如何在自治系統中實現精準的實時位置控制

發布時間:2021-10-21 來源:TI 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著工業 4.0 的先進制造工藝席卷全球市場,高度自動化系統的需求急劇增長,這些系統既需要在集成的制造流程中運行,又需要不斷收集流程控制數據。大多數此類系統(包括機械臂中的磁性編碼器、接近傳感器、傳動器、壓力變送器、線性電機和自主移動機器人)均需要先進的位置感應解決方案來控制性能并收集工廠級數據,從而做出更明智的決策并提高設備運行的安全性和可靠性。


圖 1 中所示自主移動機器人可以自動執行簡單的任務,例如在倉庫內運輸物料。這類工業機器人可幫助優化制造流程、增加生產量并提高生產率。要在工廠車間或倉庫實現安全高效導航,自主移動機器人的輪子必須內置位置感應和速度控制等高精度系統控制功能。


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圖 1:自主移動機器人橫穿倉庫


可控制運動的高性能自動化系統幾乎都需要位置感應,并且位置感應技術的選擇直接影響整個系統的成本和性能。在評估出色的位置感應解決方案,需要考慮傳感器精度、速度、功率、靈活性和可靠性等因素。


多軸線性霍爾效應位置傳感器可提供高度精確、快速且可靠的絕對位置測量,非常適合精密自動化工業應用。這些功能有助于實現更加準確的實時控制,此類控制在提高設備性能、優化系統效率和更大限度地減少停機時間方面發揮著至關重要的作用。


再看一下自主移動機器人的例子,圖 2 中的方框圖展示了輪子的電機和電機控制器之間形成的反饋環路。其中使用的是 TI 的 TMAG5170 線性 3D 霍爾效應位置傳感器,可監測電機軸的確切角度位置和電機驅動器,從而使電機旋轉。除了此反饋環路中顯示的所有元素外,該線性 3D 霍爾效應傳感器通常會對系統帶寬和延遲有直接影響。通過采用能夠進行高帶寬測量的傳感器,您可以提高此反饋環路的整體速度并增強系統性能。


同樣,位置傳感器的測量精度決定了對電機運動的可控程度。而傳感器的速度和精度通常此消彼長,系統性能因此受到限制。TMAG5170 可實現高吞吐量數據讀取,感應速度高達 20 kSPS,并且可進行高精度線性測量,最大總誤差為 2.6%,讓您無需在兩者中做出抉擇。


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圖 2:采用TMAG5170線性3D霍爾效應位置傳感器的自主移動機器人輪子電機模塊方框圖


功耗可能也是選擇位置傳感器時的重要考量項,具體取決于設計的電池管理系統或電源。電池供電型系統或采用低功耗電源的系統(例如,遠程 4 mA 至 20 mA 環路供電)通常需要具備低功耗運行模式(例如,喚醒和睡眠以及深度睡眠模式)的傳感器來幫助提高吞吐量的同時降低功耗。TMAG5170 具有多個運行模式和采樣率。與其他精密線性 3D 霍爾效應傳感器相比,其電源效率至少能提升 70%,可在 1 kHz 至 20 kHz 采樣范圍內為電池供電器件或關注系統效率的輕負載模式降低功耗。


通常情況下,位置傳感器具有嚴格的機械配置限制。線性 3D 霍爾效應傳感器功能豐富,具有可選磁性靈敏度范圍和溫度補償選項,可方便您靈活進行磁性和機械設計。TMAG5170 具有片上角度計算引擎,無需片外處理,同時提供角度感應應用中傳感器和磁體的機械放置靈活性,包括軸上和偏軸情況下的配置。


由于在自動化操作中工業系統與人工配合日益密切,因此需要更多安全措施來確保操作安全,此外,對用于防止工具停機和質量問題的診斷功能的需求也不斷增加。選擇位置傳感器時,除精度、速度、功率和靈活性等因素外,讀數可靠性也是一個重要因素。例如,如果選擇具有少量或根本不具有診斷功能的傳感器,則可能需要大量外部元件來確保傳感器數據的準確性和可靠性,這會增加設計的物料清單(BOM)成本。TMAG5170 具有獨特的智能診斷功能組合,例如通信、連續性和內部信號路徑檢查,以及可針對電源、輸入磁場和系統溫度進行配置的診斷功能。無需其他元件即可確保傳感器數據準確,從而實現長期可靠性并降低 BOM 成本。


高速高精度的位置傳感器在自動化工業系統中實現了新一代實時控制技術。TMAG5170 等精密線性 3D 霍爾效應傳感器可幫助設計人員實現快速、精確且可靠的測量,而無需降低性能或增加功耗和成本,從而進一步推動工業 4.0 市場發展趨勢。



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