本文回顾3D霍尔效应位置传感器的基础知识，并描述在机器人、篡改侦测、人机接口控制和万向节马达系统中的用途；以及介绍高精密度线性3D霍尔效应位置传感器的范例。

用于的在各种工业4.0应用中不断增加，从工业机器人、自动化系统，到扫地机器人和保全。3D霍尔效应位置传感器是这些应用的理想选择；它们具有高重复性和可靠性，还可以与窗户、门和外壳搭配，进行入侵或磁性篡改侦测。

尽管如此，使用霍尔效应传感器设计有效且安全的3D感测系统可能复杂且耗时。霍尔效应传感器需要与足够强大的微控制器（MCU）介接，以充当角度计算引擎并执行量测平均，以及增益和偏移补偿，以确定磁体方向和3D位置。MCU还需要处理各种诊断，包括监测磁场、系统温度、通讯、连续性、内部讯号路径和电源。

除了硬件设计之外，软件开发也可能复杂且耗时，进而延迟产品上市的时间。

为了因应这些挑战，设计人员可以使用含内部计算引擎的整合式霍尔效应 3D位置传感器 IC。这些 IC简化软件设计，并将系统处理器的负载降低多达 25%，因此可以使用低成本的一般用途MCU。还可以提供快速采样率和低延迟，达到准确的。针对电池供电的装置，3D霍尔效应位置传感器可以在 5 Hz或更小的工作周期下运作，最大程度降低功耗。此外，整合功能和诊断功能可最大程度提高设计灵活性以及系统安全性和可靠性。

本文回顾3D霍尔效应位置传感器的基础知识，并描述在机器人、篡改侦测、人机接口控制和万向节马达系统中的用途。接着介绍德州仪器（Texas instruments；TI）高精密度线性 3D霍尔效应位置传感器的范例，以及相关的评估板和实作指南，以加速开发过程。

3D霍尔效应传感器
3D霍尔效应传感器可以搜集完整磁场的相关信息，进而使用距离和角度量测来确定3D环境中的位置。这些传感器最常见的两种放置方式是在轴上以及与磁极化共面（图 1）。放置在偏振轴上时，该场向传感器提供单向输入，可用于判定位置。无论传感器的距离如何，共面放置都会产生一个平行于磁体面的场向量，还可以判定位置和角度。


 
图1 : 3D霍尔效应位置传感器可以与磁场同轴或共面放置，以测量距离和角动作。（source：Texas Instruments）

工业 4.0 系统（如机器人）需要多轴动作感测来量测机械臂的角度，或者在移动机器人的每个轮子上量测，以支持整个设施的导航和精确移动。整合式 非常适合这些任务，因为它们不易受潮湿或脏污的影响。共面量测提供旋转轴的高精密度磁场量测（图 2）。


 
图2 : 整合式 可以量测机器人和其他工业 4.0 应用的轴旋转。（source：Texas Instruments）

电表、瓦斯表、自动提款机（ATM）、企业服务器和电子销售点设备等安全外壳可以使用轴上场量测来侦测入侵（图 3）。当外壳开启时，感应到的磁通密度（B）会降低，直到低于霍尔开关的磁通释放点（BRP）规范，此时传感器会发送警报。当外壳关闭时，磁通密度必须相对于BRP 够大，以防止误报。由于磁体的磁通密度会随着温度的升高而降低，因此使用具有温度补偿功能的 3D 霍尔效应传感器，可以提高工业或户外环境中使用的外壳的系统可靠性。


 
图3 : 可以使用 3D 霍尔效应传感器进行外壳篡改侦测，以识别未授权的存取。（source：Texas Instruments）

家电、测试和量测设备以及个人电子产品中的人机接口和控制，受益于所有三个动作轴的使用。传感器监测X和Y平面上的动作以识别转盘的旋转，并且透过监测X和 Y磁轴的大位移来识别转盘何时被推动。监控Z轴让系统能够识别错位，并就表盘可能需要预防性维护的磨损或损坏发送警报。

手持相机稳定器和无人机中的万向节马达系统，受益于具有可选磁场灵敏度范围和其他可编程参数的 3D 霍尔效应传感器，为MCU提供角度量测（图 4）。MCU依据需求，持续调整马达位置以稳定平台。准确、精确地量测轴上和离轴位置角度的传感器提供机械设计灵活性。



 
图4 : 手持相机平台和无人机中的万向节马达受益于具有可选磁场灵敏度范围的 3D 霍尔效应传感器。（source：Texas Instruments）

平面外量测通常会导致不同的磁场强度（增益）和不同轴的不同偏移，这可能会造成角度计算错误。使用含增益和偏移校正的3D霍尔传感器，在相对于磁体放置传感器时支持灵活性，确保最准确的角度计算。

灵活的 3D 霍尔效应传感器
TI为设计人员提供一系列三轴线性霍尔效应传感器，包括具有10 MHz序列周边接口（SPI）和循环冗余检查（CRC）的TMAG5170系列高精密度3D线性霍尔效应传感器，以及TMAG5273系列具有 I2C接口和CRC的低功率线性3D霍尔效应传感器。

TMAG5170 组件经过优化以达到快速准确的位置感测，包括±2.6%的线性测量总误差 （25°C 时为最大值）；灵敏度温度漂移为±2.8%（最大值）；单轴 20 Ksps的转换率。TMAG7273组件具有低功耗模式，包括2.3 mA主动模式电流；1 μA唤醒和睡眠模式电流；5 nA 睡眠模式电流。这些 IC包括四个主要功能块（图 5）：

‧ 电源管理和振荡器模块，包括欠压和过压侦测、偏置和振荡器。

‧ 霍尔传感器以及多任务器、噪声滤波器、温度感测、集成电路、模拟数字转换器 （ADC） 相关的偏置构成感测和温度测量模块。

‧ 通讯控制电路、静电放电（ESD）保护、输入／输出（I/O）功能和CRC都包含在接口模块中。

‧ 数字核心包含用于强制和使用者启用诊断检查的诊断电路、其他内务管理功能，以及一个整合式角度计算引擎，可为轴上和离轴角度量测提供 360° 角度位置信息。


 
图5 : 除了TMAG5170型号上的SPI界面和TMAG5273型号上的I2C界面外，两款 3D霍尔效应传感器IC系列的内部功能区块相同。（source：Texas Instruments）

TMAG5170组件采用8引脚 VSSOP封装，尺寸为 3.00 x 3.00 mm，额定环境温度范围为 -40°C 至 +150°C。TMAG5170A1 包括 ±25 mT、±50 mT和 ±100 mT的灵敏度范围，而 TMAG5170A2 支持 ±75 mT、±150 mT、±300 mT。

低功率 TMAG5273 系列采用 6 引脚 DBV 封装，尺寸为 2.90 x 1.60 mm，额定环境温度范围为 -40°C 至 +125°C。还提供两种不同的型号；灵敏度范围为 ±40 mT 和 ±80 mT 的 TMAG5273A1，以及支持 ±133 mT 和 ±266 mT 的 TMAG5273A2。

两种使用者可选的磁轴用于角度计算。透过磁增益和偏移校正，将系统机械误差源的影响降至最低。板载温度补偿功能可用于独立补偿磁体或传感器的温度变化。这些 3D 霍尔效应传感器可以透过通讯接口进行配置，允许用户控制的磁轴和温度量测组合。MCU可以使用TMAG5170的ALERT引脚或TMAG5273的INT引脚来触发新的传感器转换。

评估板协助入门
至于两款分别用于 TMAG5170 系列及TMAG5273 系列的评估板，可以进行基本功能评估（图 6）。TMAG5170EVM将TMAG5170A1和TMAG5170A2型号涵盖在一个卡扣式 PC 板上。其中包括一个传感器控制板，与图形用户接口（GUI）介接，以查看和储存测量值，以及读取和写入缓存器。3D打印的旋转和推动模块用于测试角度量测的常用功能。


 
图6 : TMAG5170EVM 和 TMAG5273EVM 都包括一个具有两个不同 3D 霍尔效应传感器 IC（右下）、一个传感器控制板（左下）、3D 打印旋转和推动模块（中）和一条 USB 缆线提供电源。（source：Texas Instruments）

 
图7 : 安装在 EVM 顶部的 3D 打印旋转和推动模块示意图。（source：Texas Instruments）

使用 3D 霍尔传感器
使用这些3D霍尔效应位置传感器时，设计人员需要注意一些实作事项：

‧ TMAG5170内结果缓存器的 SPI 读取，或TMAG5273中的I2C读取，需要与转换更新时间同步，以确保读取正确的数据。TMAG5170的ALERT讯号或TMAG5273的 INT讯号可在转换完成且数据就绪时通知控制器。

‧ 低电感去耦电容必须靠近传感器引脚放置。建议使用至少为 0.01 μF 的陶瓷电容。

‧ 这些霍尔效应传感器可以嵌入由塑料或铝等非铁材料制成的外壳中，感应磁铁位于外部。传感器和磁铁也可以放置在印刷电路板的相对两侧。

结论
随着3D动作和控制的发展，设计人员需要实时获得准确的量测结果，同时透过简化设计将成本降至最低，同时还要最大程度地降低功耗。TMAG5170 和 TMAG5273 整合 3D 霍尔效应传感器能够解决这些问题，提供快速采样率和低延迟的灵活性，达到准确的，或低采样率以最大程度地降低电池供电装置的功耗。整合式增益和偏移校正算法确保高准确度，并结合磁体和传感器的独立温度校正。

（本文作者Barley Li为Digi-Key Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理）