ZHCAB86A March 2022 – May 2024 TMAG5170 , TMAG5173-Q1 , TMAG5273
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。
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。
| 參數 | 示例值 | 對位置傳感器 SoC 的影響 |
|---|---|---|
| 動子速度 | 高達 10m/s | 會影響傳感器采樣率,閉環位置控制頻率可以是 4kHz 或更高。 |
| 動子位置準確度/可重復性 | 低至 0.01mm | 會影響傳感器分辨率、精度和相鄰傳感器之間的最小位移。 |
| 傳感器技術 | 3D/2D 霍爾傳感器 | 3D 霍爾傳感器可實現二維位置感應。 |
| 傳感器磁場范圍 | 50mT … 300mT | 滿量程磁場強度線性輸入范圍 |
| 傳感器分辨率 | 典型 12 位分辨率 | 具有可編程磁場范圍調整的 SoC 允許調整每個軸的輸入范圍,并有助于提高分辨率和準確度。 |
| 傳感器接口 | 模擬或串行數字 | 用于連接 MCU 的接口 |
| 傳感器延遲 | 低至 100μs | 更高速度的 SPI,例如 10MHz SPI 有助于減少系統延遲。 |
| 多個動子位置的同步采樣 | 具有低抖動轉換啟動能力的傳感器。 | 傳感器具有硬件引腳或基于 SPI 命令的轉換啟動信號輸入。 |
| 傳感器設計 PCB 面積 | 盡可能小。 | 具有數字接口的集成 3D 霍爾 SoC 可實現更小的系統占用空間。 |
| 工作溫度范圍 | 小尺寸和高功率密度會導致段內的溫度提高。 | 3D 霍爾 SoC 具有大于 85°C 的環境溫度工作范圍。 |
| EMC 抗擾度 | 具有 CRC 的 SPI | 帶有 CRC 的數字接口可提高針對脈沖噪聲的穩健性。 |
| 系統可靠性、預測性維護和故障檢測 | 3D 霍爾傳感器檢查、電源電壓檢查、內核溫度檢查等。 | 例如,通過具有 SPI 接口和集成式診斷功能的傳感器實現。 |
圖 3 展示了使用多個具有 SPI 的等間距、高精度線性 3D 霍爾效應傳感器進行線性位置感應的設計。
每個 3D 霍爾傳感器之間的距離是系統特定的,取決于動子的磁場強度和磁體直徑、空氣間隙和所需的位置精度。相鄰 3D 霍爾傳感器之間的典型距離是系統特定的,可以在幾毫米到幾十毫米的范圍內。Z 軸和 x 軸的最大場強不能相同,因此允許對每個磁場軸進行單獨范圍編程和優化的 3D 霍爾傳感器有助于支持更高的位置分辨率和精度。
圖 4 展示了使用高精度 3D 霍爾傳感器的系統方框圖。一個專用的轉換啟動引腳 (ALERT) 支持由主機 MCU 對所有 3D 霍爾傳感器進行同步采樣,并實現與功率級和段控制算法相關的位置采樣時間的低抖動同步。
10MHz SPI 帶有實現連續高速數據傳輸的單獨片選引腳,更大限度減少了與主機 MCU 進行通信所需的信號布線數量。如果系統要針對絕對最低延遲進行優化,還可以將每個 TMAG5170 的 SDO 信號獨立路由到主機 MCU。
然后由主機 MCU 計算每個傳感器的線性位置。在第一步中,MCU 需要檢測距離每個動子最近的傳感器,例如采用搜索傳感器陣列中的 Z 軸峰值這一方式。接下來,通常是對 Z 軸和 X 軸進行偏移和增益校正。根據這些校正結果,然后可以通過 MCU 或使用傳感器的 CORDIC 輸出計算傳感器和磁體之間的相對角度。上述計算也可以進一步線性化,以優化機械設置的位置跟蹤。
圖 5 展示了在 x 軸上與 3D 霍爾傳感器位置偏移 ±20mm 時,直徑為 10mm 的 N52 磁體的模擬 Z 軸和 X 軸磁場強度 Bz 和 Bx。
借助簡單的靈敏度增益和偏移校正,使用圖 5 中所示的磁場輸入計算絕對位置時,可以產生在 ±13mm 范圍內位置誤差小于 0.1 度的結果。有關校正算法的更多詳細信息,請參閱使用線性霍爾效應傳感器跟蹤滑動位移 應用手冊。
剩余的系統誤差與兩個軸上的非理想正弦和余弦磁場有關,可以使用三角數學進一步校正。然而,這種更復雜的分析超出了本報告討論的范圍。
TMAG5170 具有 SPI 的高精度 3D 線性霍爾效應傳感器 中 3D 霍爾傳感器 SoC 的其他優勢與該器件的各種其他集成特性有關。
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 VCC 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。
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。
| 器件 | 說明 | 設計注意事項 |
|---|---|---|
| TMAG5170 (TMAG5170-Q1) |
具有 SPI 接口、采用 8 引腳 DGK 封裝的商用(汽車級)線性 3D 霍爾效應位置傳感器。 | 通過 SPI 提供的完全磁矢量靈敏度。TMAG5170 提供有利于系統監控的高精度和自診斷功能。 |
| TMAG5273 | 具有 I2C 接口、采用 6 引腳 SOT-23 封裝的線性 3D 霍爾效應位置傳感器。 | 通過 I2C 接口提供的完全磁矢量靈敏度。TMAG5273 不提供診斷功能。 |
| TMAG5173-Q1 |
具有 I2C 接口、采用 6 引腳 SOT-23 封裝的汽車級線性 3D 霍爾效應位置傳感器 |
與 TMAG5170 類似,但可在 I2C 上運行,具有更寬的靈敏度容差規格。 |
| DRV5055 (DRV5055-Q1) |
具有模擬輸出、采用 SOT-23 和 TO-92 封裝的商用(汽車級)單軸雙極性線性霍爾效應傳感器。 | DRV5055 是一款具有模擬輸出的一維線性霍爾效應傳感器。單軸靈敏度導致線性陣列設計需要更高密度的傳感器放置。模擬輸出需要一個 ADC 來對單個器件輸出進行采樣。 |
| 名稱 | 說明 |
|---|---|
| 線性霍爾效應傳感器陣列設計 | 指導如何設計可用于跟蹤長路徑運動的傳感器陣列 |
| 使用線性霍爾效應傳感器跟蹤滑動位移 | 淺談滑動磁感應的線性位置計算 |
| 適用于 TMAG5170 具有 SPI 總線接口的高精度 3D 線性霍爾效應傳感器的評估模塊 | GUI 和附加裝置采用精確的三維線性霍爾效應傳感器進行角度測量 |
| 適用于 TMAG5273 具有 I2C 接口的低功耗線性 3D 霍爾效應傳感器的評估模塊 | GUI 和附加裝置采用精確的三維線性霍爾效應傳感器進行角度測量 |
| TMAG5173EVM 具有 I2C 的汽車級、高精度、線性 3D 霍爾效應傳感器評估模塊 | GUI 和附加裝置采用精確的三維線性霍爾效應傳感器進行角度測量。 |
| DRV5055 評估模塊 | EVM 包含一個數字顯示屏,具有多種擬合直線的線性靈敏度。 |
| TI 精密實驗室 - 磁傳感器 | 一個實用的視頻系列,介紹霍爾效應及其在各種應用中的使用方式 |