ZHCAD01 august 2023 TMAG5110 , TMAG5110-Q1 , TMAG5111 , TMAG5111-Q1 , TMAG5231
引言
本文主要介紹專門與運動相關的電磁式位置傳感器模塊，但文章一開始就分別討論了傳感器和模塊。傳感器是執行檢測或監測，然后對某種環境輸入做出響應的器件。這種檢測器件通常采用電子集成電路 (IC) 的形式。來自現實世界的輸入可以是熱量、水分、壓力、光、運動或許多其他類型的物理輸入。模塊是一個組件，通常用塑料封裝或置于印刷電路板上，包含多個元件，這些元件在內部互連以執行特定功能。從這兩個定義可以推斷，電子傳感器模塊是一個帶有板載傳感器和配套元件的組裝單元，用于執行特定的功能或任務。但請記住，許多傳感器模塊提供商也將這些模塊簡稱為傳感器。
位置傳感器模塊廣泛應用于工業和汽車系統，用于監測運動或位置。這些模塊包括音頻設備上的音量控制裝置、爐灶或洗碗機人機界面 (HMI) 控制系統、汽車曲軸系統等。圖 1 至圖 3 展示了此類傳感器模塊的示例。
圖 1 HW-526 電子角度傳感器模塊
圖 3 單圈旋轉位置傳感器
圖 2 汽車類磁感應位置傳感器德州儀器 (TI) 專為位置檢測應用而開發的傳感器 IC 具有多種功能并采用多項技術。表 1 總結了這些 TI 傳感器 IC。
| 功能 | 可用技術 | 典型應用 |
|---|---|---|
| 開關 | 霍爾效應，電感式 |
|
| 鎖存器 | 霍爾效應 |
|
| 2D 鎖存器 | 霍爾效應 |
|
| 1D 線性 | 霍爾效應，電感式 |
|
| 2D 線性 | 霍爾效應 |
|
| 3D 線性 | 霍爾效應 |
|
利用這套核心功能，客戶可以開發出多種類型的傳感器模塊，這些模塊具有多種形狀和形式。如今，可供選擇的模塊數不勝數。為了進行演示，TI 測試了兩個器件，以了解 TI 器件是否達到或超過這些模塊的性能水平。以下各節包含測試結果。
Nidec? RMS20-256-201-1 編碼器
TI 通過使用 3D 打印結構將該編碼器安裝到 BLDC 電機軸上，對該編碼器進行了測試，以確保編碼器穩定并與電機軸保持水平。圖 4 展示了此設置。
圖 4 電動編碼器測試設置Nidec 編碼器數據表規定最大響應頻率為 5kHz。TI 對編碼器進行了各種頻率的測試，頻率最高達 5kHz，未發現任何問題，于是決定將頻率調高到電機本身的最高轉速，即 5,900RPM。這樣可產生 25.25kHz 的最大輸出頻率。圖 5 展示了此高速下的信號波形輸出。
圖 5 Nidec RMS20-256-201-1 編碼器示波器捕獲該編碼器的性能超出了 TI 的預期，在額定頻率限制范圍內可正常運行。可以理解的是，在如此高的速度下，即使只運行幾秒鐘，編碼器也會很快過熱。雖未測量所達到的溫度，但器件觸摸起來非常熱。從結果來看，對編碼器施加的 5kHz 最大限制顯然是內部機械組裝造成，而不是傳感器 IC 的電氣功能造成。
圖 5 展示的兩個波形代表了增量編碼器。在理想條件下，波形之間的相位差為 90°，從而允許用戶監測旋轉軸的速度和方向。通常使用兩個霍爾效應鎖存器來實現該目的。如需了解更多信息，請參閱增量旋轉編碼器 應用手冊。某些 IC（如 TMAG5110 和 TMAG5111）在單片 IC 中內置了兩個鎖存器。這些器件的信號帶寬為 40kHz，遠遠超出了 Nidec RMS20-256-201-1 編碼器的要求。
支持電機和磁體所需的霍爾傳感器帶寬可用 方程式 1 進行量化。
方程式 1 顯示，電機（轉速為 5,900RPM）和 10 極磁體（或 5 個磁極對）使傳感器的最小帶寬達到 491.67Hz，40kHz 霍爾效應傳感器可以輕松支持這一帶寬。通過考慮兩個極端示例，展示了 40kHz 霍爾效應器件的潛力。對于第一個示例，10 極磁體需要 480,000RPM 的最大電機轉速才能超出支持的 40kHz 霍爾效應帶寬。第二個示例使用我們的 5,900RPM 電機，但需要超過 400 個磁極對才能超出霍爾效應傳感器的頻率范圍。由于存在最大電機轉速、可制造性以及高極數磁體產生的磁場減弱等方面的限制，這兩個示例不切實際。不過，這些示例確實說明了霍爾效應器件能夠提供較大的帶寬裕度。
Honeywell? 103SR13A-1 位置傳感器
圖 6 展示了另一傳感器模塊的測試設置。該傳感器密封在鋁制螺紋外殼中并響應南極磁場，它位于右側，并帶有一個 3D 打印的穩定器。利用可用的設備，磁體距離傳感器的位置以 0.5 毫米的幅度遞增。
圖 6 電動位置測試設置該傳感器模塊的測試條件如下：
- 室溫 (25°C) 下 BOP（磁性工作點）的典型規格
- BRP（磁釋放點），BHYS（磁滯）分別為 35mT、27.5mT 和 7.5mT
表 2 總結了在 25°C 實驗室環境中使用不同尺寸和類型的圓柱形釹磁體激活和停用開關時所測量的距離（L 表示磁體長度，D 表示直徑）。測量距離（以 mm 為單位）是從傳感器邊緣到磁體邊緣的距離。由于傳感器模塊內的傳感器 IC 在內部與邊緣略有偏移，因此到磁體的實際感應距離延長了 1.27mm，該值將添加到測量距離中。我們也使用即將向客戶提供的磁性位置檢測工具對該距離進行了仿真。表 2 還展示了激活和停用傳感器 IC 所需的磁性工作點和釋放點（源自仿真）。請注意，正如預期的那樣，這些值幾乎完全相同。
| 磁性 | 激活距離測量值 (mm) | 激活距離仿真值 (mm) | 停用距離測量值 (mm) | 停用距離仿真值 (mm) | 需要 BOP (mT) | 需要 BRP (mT) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| L-22mm，D-3mm | 4.27 | 4.35 | 5.77 | 4.94 | 35.28 | 27.53 |
| L-25mm，D-3mm | 4.77 | 4.37 | 5.77 | 4.96 | 35.35 | 27.54 |
| L-25mm，D-5mm | 5.77 | 5.24 | 6.77 | 6.12 | 34.97 | 27.49 |
| L-38mm，D-5mm | 6.77 | 7.26 | 8.27 | 8.24 | 34.96 | 27.35 |
| L-18mm，D-6mm | 8.77 | 8.31 | 10.27 | 9.38 | 34.98 | 27.19 |
| L-22mm，D-6mm | 8.77 | 8.44 | 9.77 | 9.53 | 34.93 | 27.25 |
| L-13mm，D-13mm | 14.77 | 15.48 | 16.77 | 17.31 | 34.61 | 27.44 |
| L-22mm，D-13mm | 15.77 | 16.70 | 18.27 | 18.90 | 34.97 | 26.96 |
| L-38mm，D-13mm | 17.27 | 17.97 | 19.77 | 20.27 | 34.57 | 27.00 |
根據這些結果，最小 BOP 規格為 ±30mT 且 BRP 為 ±23.5mT 的 TMAG5231H1DQDMRR 性能非常出色，與 Honeywell 103SR13A-1 位置傳感器的性能距離非常接近。該器件采用小型 X2SON 封裝 (1.1mm × 1.4mm)，非常適合空間受限的小型模塊，例如本模塊。
這些 BOP 和 BRP 值實際上代表了靈敏度規格較弱的傳感器。有許多器件具有高得多的靈敏度級別，例如 TMAG5231A1C 版本，其典型的 BRP 閾值為 1.8mT，遲滯為 0.6mT。利用這些更高靈敏度的設計，傳感器模塊提供商可以開發出能夠檢測更遠距離磁體的工具，或者使用更小，因而更便宜的磁體。
結論
如今，工業和汽車市場中有許多類型的應用可以使用位置傳感器模塊，而用于開發這些傳感器模塊的集成電路傳感器則更多。在對其中兩種傳感器進行測試后，我們發現，德州儀器 (TI) 的產品目錄設計可以輕松滿足這些模塊的要求，為傳感器模塊制造商提供了許多可供選擇的器件。
如需了解 TI 廣泛的產品系列范圍，請訪問以下鏈接：