磁传感器

3.1 TI 高精度实验室 - 磁传感器：将霍尔效应位置传感器用于旋转编码应用

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[提示声] 大家好。我叫 Dan Harmon，现任德州仪器电流检测和磁感应产品线汽车部门营销工程师。在各种类型的磁传感器中，有三种基本的霍尔效应位置传感器：锁存器、开关和线性输出。在本课程中，我们将讨论如何将锁存器或线性传感器用于旋转编码应用。回顾一下，锁存器指示最近测量的磁通密度。当南极超过运行阈值时，器件输出将切换为低电平，并保持处于低电平状态，直到北极超过释放阈值导致输出切换为高电平。相反，线性器件的输出与磁通密度的强度成正比，并且通常是一个电压。编码器用于测量相对旋转运动。通过使用霍尔效应锁存器来检测连接到旋转物体上的环形磁铁的磁极边界转捩，可以确定旋转的量或转速。该信息提供给 MCU。通过计算脉冲，您可以确定旋转的圈数。通过测量边缘的频率，并了解磁极的数目和间距，就可以确定转速。如果还需要顺时针或逆时针等方向信息，则可以通过添加第二个锁存器器件来增加一个相位偏移。创建此相位偏移需要使两个传感器之间保持适当的间距。当传感器的分隔间距为每个磁极长度的一半加上任意整数个磁极长度时，即可获得理想的 90 度正交偏移。在图中，传感器的间距为 1.5 极。对于所示的 8 极磁环，根据方程式 360 度除以 8 极除以 2 个传感器，可以得出其中一个传感器每旋转 22 又 1/2 度会改变一次输出。方向变化由两个信号之间的转换顺序检测。为了正确检测旋转，您需要确保锁存器的采样频率足够快，能够捕捉到每个磁极。要计算最小采样频率，不妨假设每个极点周期只采样一次，那么理想情况下，您将在峰值处对磁场进行采样。相反，如果每个周期仅限于一个采样，则需要避免在磁场越过零点时进行采样。由于锁存器采样频率和旋转频率是异步的，因此建议您至少以极点频率的两倍进行采样。这样，一个样本出现最坏情况意味着另一个样本将出现理想情况。请注意，当采样率是每秒极数的两倍时，大多数采样所测量的磁场将明显低于峰值，将明显低于峰值，因为峰值仅在传感器和极点完全对齐时出现。在这种情况下，应使用比锁存器的最大工作点更强的磁场。例如，如果我们假设最大转速为 60000 RPM，此转速可转换为每秒 2000 极，这意味着您需要选择采样频率至少为 4000 赫兹的器件。在大多数旋转编码应用中，采样频率远大于旋转速度。因此，您将在每个极点周期内得到多个样本。可以使用线性霍尔效应传感器代替锁存器。这个想法与我们所讨论的锁存器的情况非常相似。但输出现在是一个与磁场成比例的连续正弦波而不是一系列脉冲。由于输出是连续的，因此使用线性可以更精确地掌握环形磁铁的实际旋转位置。由于模拟电压首先需要转换为数字信号，因此该实现将在系统控制器中占用更多的计算能力。然后，微控制器将执行数字信号处理，以确定转速和旋转方向。此图表突出显示了磁极间距的不完美机械排列会如何对旋转编码应用的性能产生不利影响。为了确定旋转方向，需要两个传感器相对于磁极的确定性正交。另外，包括磁极尺寸和磁场强度变化在内的磁体缺陷进一步破坏了精确重现旋转方向的能力。这里展示的是一个 TI 设计，详细介绍了使用两个 DRV5013 霍尔效应锁存器实现旋转编码的设计过程。此外，我们还发布了一个 TI 应用简报，讨论了为旋转编码应用选择霍尔锁存器的设计注意事项。旋转编码应用的示例包括许多制造环境中使用的线性测量系统、传送系统、打印机、人机界面控制或伺服电机。有关霍尔效应传感器的更多信息或视频，请访问 ti.com/halleffect。谢谢。