1

引言

機器人機制需要通過編程對設置和控制行為進行響應才能完成特定任務。這些任務涵蓋移動運輸、穩定性控制或制造和裝配作業。機器人在每種情況下的運動都通過電機驅動機制進行控制，該機制可以直接驅動，或通過其他方式（例如齒輪箱、皮帶、螺桿或齒條與小齒輪）耦合到系統。

圖 1 機器人機制

在所有情況下，電機軸的旋轉都與系統耦合。鑒于各種原因，在任何應用中，了解電機轉軸位置與整體系統行為的關系都至關重要。

• 可靠的位置控制，可實現一致的系統控制
• 降低對系統、附近物體和人員造成損壞或傷害的風險
• 改進功能的同步和時序控制，可實現更快的響應

這些因素會影響自主移動機器人在倉庫的自行導航能力，或六軸機械臂執行裝配任務時的精度和可重復性。

雖然位置信息可從用于電機換向的傳感器中逐漸獲得，但通常需要更高的精度才能產生一致的行為。角度編碼通常用于跟蹤電機軸的位置，以提供所需的精度。

角度編碼設計

要測量電機軸的絕對角度，編碼器必須對電機軸本身執行測量。大多數機器人應用都需要通常使用磁感應或光學編碼獲得的絕對位置信息。為了可靠地運行，光學編碼器需要笨重的外殼來保護傳感器免受污垢、灰塵或其他污染物的影響。此外，這些設計必須與電機軸機械耦合，并且可能會在運行速度上受到限制。

磁感應和電感感應都能應對這兩個挑戰。在將磁體連接到電機軸的情況下，可以通過測量磁場來確定角度位置。有關此測量的更多信息，請參閱利用霍爾效應傳感器測量旋轉運動的絕對角度應用簡介。

磁感應

標準霍爾效應磁傳感器本質上是一個維度。霍爾效應測量由洛倫茲力引起的載流元件中的電壓差。本質上，施加的磁場、電流和電壓是相互正交的。因此，單個器件只能測量三維磁場的一個分量。

圖 2 霍爾效應

要使用反正切函數有效測量 360 度全旋轉的角度，需要使用兩個分別為 90 度的感應元件。一維霍爾效應傳感器的放置 中顯示了使用標準一維傳感器的相應布置

圖 3 一維霍爾效應傳感器的放置

雖然這種感應磁體位置的方法確實提供了所需的輸入，但它需要對旋轉磁體的兩個傳感器進行物理隔離。每個傳感器必須與磁體正確對齊，以實現更高質量的輸入。克服這一挑戰通常需要仔細組裝。表面貼裝器件可能會在回流焊過程中自定位時旋轉，而通孔器件在組裝過程中需要使用夾具或墊片，以確保高度一致并對齊。即使在焊接過程中實現了理想對齊，對器件施加的力也可能會彎曲引線并產生非理想對齊。

因此，TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 等單片 3D 霍爾效應傳感器是機器人位置編碼器的理想選擇。這種類型的器件能夠測量和報告 B 場矢量的各個分量，請參閱圖 4。

圖 4 B 場矢量

在監控每個組件時，旋轉磁體自然會向傳感器提供相位差為 90 度的輸入。

圖 5 3D 磁輸入示例

使用 3D 霍爾效應傳感器時，用于測量磁場的霍爾元件在同一芯片內相互正交。因此，在尋找角度位置時，小的焊接錯位更容易被接受，因為傳感元件始終保持相互對齊。當使用集成到單個芯片中的傳感器時，靈敏度匹配也會得到改善，因為它們在制造過程中會遇到類似的情況。

圖 6 3D 霍爾效應傳感器

現在只有一個封裝需要對齊，磁體的放置更加靈活。可以使用安裝在軸穿孔上的環形磁體或標準圓柱形磁體的末端。該傳感器可以方便地放置在磁體可觸及范圍內的任何位置，以實現緊湊的編碼設計。

圖 7 3D 霍爾效應傳感器的放置

此系列器件的另一個巨大優勢是能夠通過數字接口將數據發送回微控制器。由于數字數據不易損壞，因此在通過線纜傳輸時，干擾電氣噪聲并不重要。對于所有讀取操作，循環冗余校驗 (CRC) 可確保信號完整性。這也允許遠程放置微控制器，從而提高機械設計的多功能性。

TMAG5170 還能夠在正常運行期間運行自診斷。其中包括檢查內部存儲器、V_CC 狀態、內部 LDO 狀態、輸出引腳電壓、溫度和其他器件功能驗證。此功能提供有關器件狀態的實時信息，以幫助指導可能影響可靠性或安全性的系統操作。