線性電機傳輸系統簡介

線性電機傳輸系統是一種新興的工業應用，可替代和增強基于傳送帶的傳統型工廠自動化系統。與傳送帶（旋轉電機以一定速度驅動傳送帶）不同，線性電機傳輸系統使用多個基于線圈的靜態、非移動線性電機模塊來驅動磁動子，而磁動子承載待組裝或加工的產品。與基于傳送帶的傳統系統相比，線性電機傳輸系統有幾項系統性優勢。

由于該機制的多功能性，基于線圈的線性電機各段模塊現在可以實現更小的新幾何形狀，涵蓋直線、曲線、平移甚至二維運動。由于可以單獨控制段內的每個線性電機，因此可在同一段內以不同的速度驅動不同位置上的多個動子。例如，一個動子停下來處理或分析該動子承載的產品，與此同時，下一個動子上的其他產品則以最大速度前進到下一個工藝狀態。與傳統的傳送帶驅動系統相比，這種獨立控制機制顯著提高了吞吐量。

圖 1 展示了一個簡化的線性電機傳輸系統，包括靜態直線段和曲線段以及動子。每個段通常包括：通過相應線圈實現多個三相線性電機的線性電機功率級；一個用于感應每段各動子位置和速度的線性電機位置傳感器 和一個實現動子位置和運動實時控制的線性電機段控制器。圖 2 展示了一個動子的簡化圖。

圖 1 帶有磁動子的簡化線性電機傳輸系統

圖 2 帶有傳感器和磁體的動子的簡化視圖

要求

線性電機傳輸系統使多個磁動子進行一維甚至二維運動，速度高達 10m/s，線性位置精度和可重復性低至 0.01mm。磁傳感器上的磁場范圍取決于動子的感應磁體以及動子磁體與靜態多位置傳感器印刷電路板 (PCB) 之間的距離。通常，磁場范圍為 50mT 到 300mT。根據空間要求，具有高度集成的 3D 霍爾傳感器片上系統 (SoC) 的小封裝是一個優勢。傳感器的環境工作溫度超過 85°C 時（例如 125°C），可實現更高的功率密度，同時在這些極端條件下仍能準確捕獲傳感器數據。

由于需要同時檢測某段內多個動子的位置，同時采樣和低延遲位置測量至關重要。與模擬輸出 SoC 相比，具有低延遲數字接口的 3D 霍爾效應傳感器能夠更好地抵抗噪聲。具有數字接口的 SoC 還具有其他優勢，即可以診斷和監測 SoC，例如內核溫度、霍爾元件或電源電壓診斷，從而提高系統可靠性。

TMAG5170 3D 霍爾效應傳感器

TMAG5170 是一款高精度線性霍爾效應傳感器，具有三軸靈敏度。該器件是高度可定制的，能夠使用相互正交霍爾效應元件來檢測 B 場矢量的每個分量。該器件對每個通道進行串行采樣，然后使用集成的 12 位 ADC 以最大 20ksps 的采樣率轉換結果。

圖 7 TMAG5170 方框圖

TMAG5170 的眾多功能包括集成自診斷、可編程警報閾值和用于確定性采樣的可定制觸發。

TMAG5170 的自診斷功能能夠監控 V_CC 狀態、上電復位、輸出引腳狀態、器件存儲器、溫度和現場運行期間的各種其他內部檢查。這一優勢使微控制器能夠輕松驗證系統中的每個傳感器是否保持運行，并有助于標記可能導致可靠性或安全風險的系統級問題。

從 TMAG5170 啟動磁場轉換有三種觸發模式。該器件的警報引腳可用作輸入引腳，可由主機控制器的任何適當 IO 引腳驅動。這種硬件觸發既方便又簡單。此外，轉換可以通過單獨的 SPI 命令或器件的 CS 引腳觸發。在觸發時序已知的情況下，器件的轉換率可用于將任何給定測量與線性動子的實際位置相關聯。

圖 8 展示了使用 ALERT 引腳以 8kHz 位置采樣率通過主機 MCU 觸發新轉換的示例時序。對于此示例，TMAG5170 配置為 Z 和 X 兩個軸的偽同步采樣模式。有效采樣到數據傳輸延遲約為 60us。

使用 TMAG5170 進行 32 位數據的 SPI 傳輸在 10MHz SPI 時鐘和相應的建立和保持時間下需要 3.2us，因此當多條 TMAG5170 SDO 數據線并行連接到主機 MCU 時，總延遲約為 64us。當多個 TMAG5170 使用相同的多路復用 SDO 數據線時，總延遲取決于順序讀取的 TMAG5170 傳感器的數量。總延遲等于 60us 加上 N 乘以 4us 到 5us，其中 N 是 SPI 傳輸的數量，包括片選信號設置和保持時間的開銷。

圖 8 8kHz 采樣率通過轉換信號啟動的時序圖 (ALERT)

使用 SPI 命令觸發器或 CS 觸發器的一個好處是，這些觸發器使警報引腳可用于向控制器提供額外的反饋。使用可編程閾值限制功能時，系統中的每個 TMAG5170 都可以提供有關任何單個線性動子的相對接近度的反饋。通過僅識別正在接收有用輸入的傳感器，系統可以在器件陣列上實現更高效的 SPI 讀取。

更多相關信息，請參閱以下備選器件和支持文檔。