1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

在過(guò)去的幾年里，自動(dòng)化走出工業(yè)環(huán)境，已通過(guò)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 集成到家庭和工作場(chǎng)所的各方面應(yīng)用中。智能家居使我們能夠安全連接許多現(xiàn)代創(chuàng)新產(chǎn)品，例如掃地機(jī)器人、電動(dòng)百葉窗和電子智能鎖，讓我們的生活更加輕松。通過(guò)將這些設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)，我們現(xiàn)在能夠從任何地方控制我們家中的這些設(shè)備，從而提高可靠性并節(jié)省成本。

隨著智能設(shè)備變得更加自主，有必要隨時(shí)了解其工作狀態(tài)和位置。此功能在電動(dòng)百葉窗等低功耗自動(dòng)化應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)樵诖祟悜?yīng)用中，用戶需要確信系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)將討論在電動(dòng)百葉窗中實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)時(shí)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；電動(dòng)百葉窗用于使百葉窗的打開(kāi)和關(guān)閉變得快速方便，同時(shí)還可降低空調(diào)和供暖成本。

電動(dòng)百葉窗的工作方式

傳統(tǒng)的百葉窗通過(guò)阻擋從窗戶投射進(jìn)來(lái)的光線為建筑物遮光。通過(guò)在建筑物的窗戶和其余空間之間形成屏障，可以幫助保持室內(nèi)溫度并節(jié)省供暖和制冷成本。這些百葉窗通常通過(guò)手動(dòng)拉動(dòng)繩線或直接拉動(dòng)百葉窗來(lái)降低。電動(dòng)百葉窗的電機(jī)連接到滾輪上，滾輪由遙控器或手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行控制，遙控器或手機(jī)應(yīng)用程序可以向百葉窗發(fā)送信號(hào)來(lái)使其向上和向下移動(dòng)或移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置，因此十分方便。圖 1-1 所示為電動(dòng)百葉窗中霍爾效應(yīng)傳感器系統(tǒng)的功能圖。

圖 1 電動(dòng)百葉窗中的
傳感器系統(tǒng)

電動(dòng)百葉窗的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電動(dòng)百葉窗需要不斷了解其位置，以便電機(jī)在任一方向到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)不會(huì)受到張力。百葉窗還需要識(shí)別用戶進(jìn)行的手動(dòng)調(diào)整，以便系統(tǒng)可以維護(hù)有關(guān)百葉窗狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。如果系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到百葉窗的手動(dòng)移動(dòng)，則可能會(huì)影響系統(tǒng)性能并有損壞百葉窗的風(fēng)險(xiǎn)。

使用霍爾效應(yīng)鎖存器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)編碼

霍爾效應(yīng)鎖存器可以通過(guò)執(zhí)行稱為旋轉(zhuǎn)編碼的功能來(lái)提供精確的位置數(shù)據(jù)。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而更精確地控制自動(dòng)化系統(tǒng)。隨著旋轉(zhuǎn)的發(fā)生，增量編碼器會(huì)產(chǎn)生交替的高電平和低電平脈沖，這些脈沖可以指示旋轉(zhuǎn)物體的速度和方向。在電動(dòng)百葉窗中，霍爾效應(yīng)鎖存器可以跟蹤連接到電機(jī)軸的環(huán)形磁體的極性變化。此跟蹤可以指示電機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，這一信息使系統(tǒng)能夠了解百葉窗的速度和位置。在窗簾將沿兩個(gè)不同方向移動(dòng)的此類應(yīng)用中，可以使用兩個(gè)單軸鎖存器或一個(gè)二維 (2D) 鎖存器來(lái)指示百葉窗的位置。

單軸鎖存器解決方案

當(dāng)使用兩個(gè)單軸鎖存器（例如 DRV5012）來(lái)確定方向時(shí)，精確放置傳感器以實(shí)現(xiàn)最佳 90 度正交偏移非常重要。當(dāng)傳感器之間的距離為每個(gè)磁極長(zhǎng)度的一半加上任意整數(shù)個(gè)磁極長(zhǎng)度時(shí)，便可獲得 90 度偏移。理想的 90 度偏移可更大限度地提高每個(gè)狀態(tài)之間的時(shí)序裕度，從而防止由機(jī)械容差、傳感器不匹配和信號(hào)抖動(dòng)導(dǎo)致的誤差。圖 1-2 中的輸出信號(hào)是一個(gè) 2 位正交輸出的示例，清楚地展示了四種不同的狀態(tài)。

圖 2 2 位正交輸出

如果在檢測(cè)方向變化時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)百葉窗失去其位置信息并錯(cuò)誤地檢測(cè)到行程終點(diǎn)。圖 1-3 的磁性增量編碼器顯示了與環(huán)形磁體相關(guān)的傳感器配置，可實(shí)現(xiàn) 90 度偏移。

圖 3 磁性增量編碼器

DRV5012 器件是一款可通過(guò)引腳選擇采樣率的超低功耗數(shù)字鎖存器霍爾效應(yīng)傳感器，推薦用于功率受限的應(yīng)用，例如電池供電的百葉窗。

2D 鎖存器解決方案

另一種解決方案是使用 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器（例如 TMAG5110 或 TMAG5111）。此解決方案可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并在傳感器布局方面提供更大的靈活性。通過(guò)集成對(duì)磁場(chǎng)矢量的正交分量敏感的第二個(gè)霍爾元件，可以使用單個(gè)器件來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)磁體的速度和方向。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)過(guò)程，是因?yàn)榇朋w本身可以產(chǎn)生相差 90 度的磁場(chǎng)分量。這樣可以消除由于放置兩個(gè)單軸傳感器而可能出現(xiàn)的任何誤差。圖 1-4 突出顯示了使用 2D 鎖存器時(shí)的傳感器和磁體布局靈活性。

圖 4 采用環(huán)形磁體和各種傳感器布局實(shí)現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)編碼

與使用兩個(gè)單軸鎖存器相比，使用一個(gè) 2D 鎖存器可減小布板空間，因此非常適合尺寸受限的應(yīng)用，例如電動(dòng)百葉窗。TMAG5110 具有兩個(gè)輸出信號(hào)，分別表示每個(gè)獨(dú)立霍爾元件的響應(yīng)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，TMAG5111 還具有兩個(gè)輸出響應(yīng)，分別表示磁體的速度和方向。

結(jié)論

電動(dòng)百葉窗因其更加便利和節(jié)能特性而在智能家居中越來(lái)越受歡迎。霍爾效應(yīng)鎖存器為電動(dòng)百葉窗提供了精確可靠的位置檢測(cè)解決方案，并解決了需要隨時(shí)了解百葉窗位置的主要設(shè)計(jì)難題。可使用兩個(gè)單軸鎖存器進(jìn)行可靠的測(cè)量，也可使用 2D 鎖存器來(lái)提高傳感器和磁體布局靈活性，并且 2D 鎖存器很適合功率和空間受限的應(yīng)用。

表 1 備選器件建議

器件	特征	設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
DRV5011	該器件采用 SOT-23、X2SON、DSBGA 和 TO-92 封裝，最大工作閾值為 3.8mT	30kHz 的高感應(yīng)帶寬使該器件可用于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)應(yīng)用。封裝類型可適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用。該器件由 2.5V 至 5.5V 電源供電。
DRV5012	低功耗、引腳可選帶寬、采用薄型 X2SON 封裝。最大運(yùn)行閾值為 3.3mT。	平均電流越高，采樣頻率越高。該器件由 1.65V 至 5.5V 電源供電。可選采樣率為 20Hz 和 2500Hz。該速率應(yīng)至少是預(yù)期輸入頻率的兩倍。
DRV5013	2.5V 至 38mV 的寬電源電壓范圍簡(jiǎn)化了此器件在大多數(shù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用	該器件的典型電源電流為 3mA，感應(yīng)帶寬為 20kHz。提供汽車和商業(yè)級(jí)。
DRV5015	該器件的最大閾值低至 2mT，有助于提高整體正交精度	工作電壓限制為 2.5V 至 5.5V，典型的 ICC 電流為 2.3mA。典型感應(yīng)帶寬為 30kHz。提供汽車和商業(yè)級(jí)。
TMAG5110	具有雙路輸出的 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器，用于直接監(jiān)控鎖存器行為，最大閾值低至 1.4mT	2D 鎖存器以極少的元件數(shù)量提供設(shè)計(jì)靈活性。借助直接輸出，微控制器需要計(jì)算速度和方向。
TMAG5111	雙路輸出轉(zhuǎn)換為速度和方向的 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器，最大閾值低至 1.4mT	與 TMAG5110 類似，但雙路輸出的格式針對(duì)速度和方向進(jìn)行了調(diào)整。這對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼特別有用，但不提供鎖存器行為，此行為在校正對(duì)齊以實(shí)現(xiàn)理想正交對(duì)齊方面非常有用。

表 2 相關(guān)技術(shù)資源

名稱	說(shuō)明
增量旋轉(zhuǎn)編碼器	介紹旋轉(zhuǎn)編碼，重點(diǎn)介紹可以實(shí)施的各種技術(shù)。
利用 2D 霍爾效應(yīng)傳感器減少增量旋轉(zhuǎn)編碼的正交誤差	2D 霍爾鎖存器設(shè)計(jì)指南，其中討論了增量編碼以及如何設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)理想正交對(duì)齊。
使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的 3 個(gè)常見(jiàn)設(shè)計(jì)缺陷以及解決方案	介紹常見(jiàn)的磁編碼器問(wèn)題以及如何使用可行的解決方案來(lái)提高性能。
TMAG511x 高靈敏度 2D 雙通道霍爾效應(yīng)鎖存器評(píng)估模塊	使用 TMAG5110 和 TMAG5111 同時(shí)使用 10 極和 20 極磁體的旋轉(zhuǎn)編碼實(shí)踐演示。
利用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)角度	應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)，其中進(jìn)一步討論了角度檢測(cè)，并提供了指向其他相關(guān)內(nèi)容的鏈接和詳細(xì)信息。
TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - 了解 2D 霍爾傳感器鎖存器	介紹 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器的有用視頻。
TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - 使用霍爾效應(yīng)位置傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)編碼	介紹如何使用霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)編碼的有用視頻。