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3D 霍尔效应感测器如何为自动系统提供精确且即时的位置控制
 

【作者: 德州儀器提供】2021年11月02日 星期二

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自主移动机器人可自动执行非技术性任务,像是在仓库中运输材料。它们的车轮内装设位置感测与速度控制等高精确系统,以便在工厂或仓库里安全有效率地移动,可优化制造流程,提升产出量及生产力。


随着工业 4.0 将先进制程推往全球市场,对高度自动系统的需求也大幅增加。这些系统可以整合制造流程运作并持续收集制程控制资料,应用范围包含机械手臂的磁性编码器、近接感测器、致动器、压力传送器、线性马达与自主移动机器人,其中多数需要利用先进位置感测解决方案来控制性能以及工厂级资料,以便让装置做出更适当的决策、操作起来也更安全可靠。


自主移动机器人(如图 1 ) 可自动执行非技术性任务,像是在仓库中运输材料。这些工业机器人可优化制造流程,提升产出量及生产力。自主移动机器人的车轮内也装设位置感测与速度控制等高精确系统,以便在工厂或仓库里安全有效率地移动。



图1 : 自动行动机器人通过仓库地板
图1 : 自动行动机器人通过仓库地板

位置感测系统常用于高效能自动系统中,以便控制机器动作,对位置感测技术的选择也会直接影响整体系统的成本和效能。在评估最佳位置感测解决方案时,应考虑感测准确性、速度、功率、灵活性及可靠性等。


多轴线性霍尔效应位置感测器帮助提升设备效能

多轴线性霍尔效应位置感测器适用于精确自动化工业应用,因为它可提供高度准确、快速且可靠的绝对位置量测。并提供更准确的即时控制,帮助提升设备效能、系统效率最佳化及减少停机时间。


再回到自主移动机器人的例子,图 2 中的方块图说明车轮马达和马达控制器间的回馈回路,使用 TI 的线性 3D 霍尔效应位置感测器来监控马达轴与马达驱动器的确切角度位置,进而转动马达。在回馈回路所有元件中,线性 3D 霍尔效应感测器会直接影响到系统频宽和延迟。若采用高频宽量测的感测器,您将可提高回馈回路的整体速度,并提升系统效能。


同样地,位置感测器的量测准确度决定了马达动作的可控程度。但感测器的速度和准确度常对彼此造成影响,进而限制了系统效能。 TI的感测器可用高达 20 kSPS 的感测速度提供高传输数值,并以最高 2.6% 的整体误差提供高度准确的线性量测,让您不用在两者间进行取舍。



图2 : 使用线性 3D 霍尔效应位置感测器的自动行动机器人车轮马达模组方块图
图2 : 使用线性 3D 霍尔效应位置感测器的自动行动机器人车轮马达模组方块图

根据电池管理系统或电源供应的设计,功耗也是选择位置感测器时应考量的重要规格之一。电池供电系统或具低电源供应的系统 (例如远端 4 到 20 mA 回路),通常需要具有唤醒、休眠与深度休眠模式等低功率操作模式的感测器,帮助实现最佳功耗与传输速率。TMAG5170 的多重操作模式和取样率可提高电源效率,效率比其他精确线性 3D 霍尔效应感测器高出至少 70%,并可在 1 到 20 kHz 的取样范围中,为电池供电装置或以系统效率为优先的轻负载模式提供最佳功耗。


位置感测器通常有最严格的机械配置限制。选择具备可选电磁感测范围和温度补偿选项的多元线性 3D 霍尔效应感测器,可为磁与机械设计带来灵活性。此解决方案 拥有晶片内角度计算引擎,可省去晶片外处理的需求,并可为角度感测应用中的感测器与磁铁提供机械配置灵活性,其中包含轴上与离轴配置。


自动化工业系统与人类一起工作已趋向常态,因此越来越需要额外安全措施确保作业安全,也需提升诊断功能以避免停机时间与品质问题。位置感测器读值的可靠性就和准确度、速度、功率与灵活性一样重要。若选择只有几个或没有诊断功能的感测器,可能需要配置数个外部元件才能确保感测器资料的准确性及可靠性,进而增加设计的材料清单 (BOM)。


透过提供独特的智慧型诊断功能组合,像是通讯、连续性和内部讯号路径检查,还有电源供应、输入磁场和系统温度的可配置诊断。无需使用额外元件来确保感测器资料准确,因此可实现长期可靠性并减少 BOM。


高速且高准确的位置感测器可为自动工业系统实现下一代即时控制。精确线性 3D 霍尔效应感测器可帮助设计师达到工业 4.0 市场趋势所需的快速、准确与可靠量测,并且不需牺牲效能或增加功耗与成本。


(本文作者为Kevyn Robins)


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