Come ottenere il rilevamento della posizione in modo veloce, preciso e a bassa potenza per il controllo in tempo reale

L'uso del rilevamento della posizione tridimensionale (3D) per il controllo in tempo reale sta aumentando in molte applicazioni destinate a Impresa 4.0, che vanno dai robot industriali e dai sistemi automatizzati agli aspirapolvere robotici e alla sicurezza. I sensori di posizione 3D a effetto Hall sono una buona opzione per queste applicazioni in quanto forniscono alta ripetibilità e affidabilità e possono anche essere utilizzati con finestre, porte e recinzioni per il rilevamento di intrusioni o disattivazione magnetica.

Tuttavia, progettare un sistema di rilevamento 3D efficace e sicuro utilizzando un sensore a effetto Hall può essere complesso e dispendioso. Il sensore a effetto Hall deve interfacciarsi con un microcontroller (MCU) abbastanza potente per fare da motore di calcolo dell'angolo ed eseguire la media delle misurazioni, così come la compensazione del guadagno e dell'offset per determinare gli orientamenti del magnete e le posizioni 3D. L'MCU deve anche poter gestire la diagnostica, tra cui il monitoraggio del campo magnetico, la temperatura del sistema, le comunicazioni, la continuità, il percorso del segnale interno e l'alimentazione.

Oltre alla progettazione dell'hardware, lo sviluppo del software può essere complesso e richiedere molto tempo, ritardando ulteriormente il time-to-market.

Per affrontare queste sfide, i progettisti possono utilizzare CI di sensori di posizione 3D a effetto Hall con un motore di calcolo interno. Questi CI semplificano la progettazione software e riducono il carico del processore di sistema fino al 25%, permettendo l'uso di un MCU a basso costo e di uso generale. Possono anche fornire frequenze di campionamento veloci e bassa latenza per un controllo accurato in tempo reale. Nei dispositivi alimentati a batteria, i sensori di posizione 3D a effetto Hall possono funzionare con cicli di lavoro di 5 Hz o meno per ridurre al minimo il consumo energetico. Inoltre, le funzioni integrate e la diagnostica massimizzano la flessibilità di progettazione, la sicurezza e l'affidabilità del sistema.

Questo articolo esamina le nozioni di base dei sensori di posizione 3D a effetto Hall e descrive il loro uso nella robotica, nel rilevamento delle manomissioni, nei controlli dell'interfaccia umana e nei sistemi di motori cardanici. Presenta poi esempi di sensori di posizione ad alta precisione, lineari 3D a effetto Hall di Texas Instruments, insieme alle schede di valutazione associate e alla guida all'implementazione per accelerare lo sviluppo.

Cosa sono i sensori 3D a effetto Hall?

I sensori 3D a effetto Hall possono raccogliere informazioni sul campo magnetico completo, permettendo l'uso di misurazioni di distanza e d'angolo per la determinazione della posizione in ambienti 3D. I due posizionamenti più comuni per questi sensori sono sull'asse e complanare alla polarizzazione magnetica (Figura 1). Quando si trova sull'asse di polarizzazione, il campo fornisce un ingresso unidirezionale al sensore che può essere utilizzato per la determinazione della posizione. Il posizionamento complanare produce un vettore di campo parallelo alla faccia del magnete, indipendentemente dalla distanza dal sensore, permettendo anche di determinare la posizione e l'angolo.

Figura 1: I sensori di posizione 3D a effetto Hall possono essere posizionati sull'asse o complanari al campo magnetico per misurare la distanza e il movimento angolare. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I sistemi per Impresa 4.0 come i robot richiedono il rilevamento del movimento multiassiale per misurare l'angolo dei bracci robotici o su ogni ruota dei robot mobili per supportare la navigazione e il movimento preciso all'interno di una struttura. I sensori integrati 3D a effetto Hall sono adatti a questi compiti perché non sono suscettibili all'umidità o alla sporcizia. Le misurazioni complanari forniscono dati molto accurati sul campo magnetico di alberi rotanti (Figura 2).

Figura 2: I sensori 3D a effetto Hall integrati possono misurare la rotazione dell'albero nei robot e in altre applicazioni per Impresa 4.0. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Gli involucri sicuri come i contatori dell'elettricità e del gas, gli sportelli bancomat, i server aziendali e le apparecchiature elettroniche dei punti vendita possono utilizzare le misurazioni di campo sull'asse per rilevare le intrusioni (Figura 3). Quando l'involucro viene aperto, la densità di flusso (B) rilevata dal sensore 3D a effetto Hall scende sotto il punto di rilascio del flusso (B_RP) specificato dall'interruttore Hall e a quel punto il sensore invia un allarme. Quando l'involucro è chiuso, la densità di flusso magnetico deve essere abbastanza grande rispetto a B_RP per evitare falsi allarmi. Poiché la densità di flusso di un magnete tende a diminuire all'aumentare della sua temperatura, l'uso di un sensore 3D a effetto Hall con capacità di compensazione della temperatura può migliorare l'affidabilità del sistema per gli involucri utilizzati in ambienti industriali o esterni.

Figura 3: Il rilevamento di manomissione di un involucro può essere implementato con sensori 3D a effetto Hall per identificare l'accesso non autorizzato. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le interfacce umane e i controlli negli elettrodomestici, nelle apparecchiature di test e misurazione e nell'elettronica personale possono beneficiare dell'uso di tutti e tre gli assi di movimento. Un sensore può monitorare il movimento nei piani X e Y per identificare la rotazione di un quadrante e può identificare quando il quadrante viene spinto monitorando lo spostamento negli assi magnetici X e Y. Il monitoraggio dell'asse Z permette al sistema di identificare i disallineamenti e di inviare avvisi di usura o danni, a indicare che il quadrante potrebbe richiedere un intervento di manutenzione preventiva.

I sistemi di motori cardanici negli stabilizzatori per telecamere portatili e nei droni beneficiano dell'uso di sensori 3D a effetto Hall con intervalli di sensibilità del campo magnetico selezionabili e altri parametri programmabili per fornire misurazioni angolari a un MCU (Figura 4). L'MCU regola continuamente la posizione del motore secondo necessità per stabilizzare la piattaforma. Un sensore che può misurare accuratamente gli angoli in posizioni sull'asse e complanari fornisce flessibilità di progettazione meccanica.

Figura 4: I motori cardanici in piattaforme per telecamere portatili e droni beneficiano dei sensori 3D a effetto Hall con intervalli di sensibilità del campo magnetico selezionabili. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le misurazioni fuori piano spesso causano diverse intensità di campo magnetico (guadagni) e offset diversi in assi diversi, che possono causare errori di calcolo angolare. L'uso di un sensore Hall 3D con correzioni del guadagno e dell'offset supporta la flessibilità quando si posiziona il sensore rispetto al magnete, assicurando calcoli angolari più accurati.

Sensori 3D a effetto Hall flessibili

Texas Instruments offre ai progettisti una selezione di sensori lineari triassiali a effetto Hall, tra cui la famiglia TMAG5170 di sensori lineari 3D a effetto Hall ad alta precisione con interfaccia periferica seriale (SPI) da 10 MHz e controllo a ridondanza ciclica (CRC) e la famiglia TMAG5273 di sensori lineari 3D a effetto Hall a bassa potenza con interfaccia I²C e CRC.

I dispositivi TMAG5170 sono ottimizzati per il rilevamento rapido e accurato della posizione e includono: errore totale di misurazione lineare di ±2,6% (massimo a 25 °C); deriva termica della sensibilità di ±2,8% (massimo) e tasso di conversione di 20 ksps per asse. I dispositivi TMAG7273 sono caratterizzati da modalità a basso consumo e includono: 2,3 mA di corrente in modalità attiva; 1 µA di corrente di riattivazione e sospensione e 5 nA di corrente di sospensione. Questi CI includono quattro blocchi funzionali primari (Figura 5):

• Il blocco gestione della potenza e oscillatore include il rilevamento di sottotensione e sovratensione, la polarizzazione e gli oscillatori.
• I sensori Hall e la polarizzazione associata con multiplexer, filtri di rumore, rilevamento della temperatura, circuito integratore e un convertitore analogico/digitale (ADC) compongono il blocco di rilevamento e misurazione della temperatura.
• Il circuito di controllo della comunicazione, la protezione ESD (scariche elettrostatiche), le funzioni di ingresso/uscita (I/O) e CRC sono incluse nel blocco interfaccia.
• Il nucleo digitale contiene circuiti diagnostici per i controlli obbligatori e abilitati dall'utente, altre funzioni di manutenzione e un motore di calcolo angolare integrato che fornisce informazioni sulla posizione angolare a 360° per misurazioni angolari sia sull'asse che complanari.

Figura 5: Eccetto un'interfaccia SPI (mostrata sopra) sui modelli TMAG5170 e un'interfaccia I²C sui modelli TMAG5273, i blocchi funzionali interni sono identici per entrambe le famiglie di CI per sensori 3D a effetto Hall. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I dispositivi TMAG5170 sono forniti in un contenitore VSSOP a 8 pin che misura 3,00 x 3,00 mm e sono specificati in un intervallo di temperatura ambiente da -40 a +150 °C. TMAG5170A1 include intervalli di sensibilità di ±25 mT, ±50 mT e ±100 mT, mentre TMAG5170A2 supporta ±75 mT, ±150 mT e ±300 mT.

La famiglia TMAG5273 a basso consumo utilizza contenitori DBV a 6 pin che misurano 2,90 x 1,60 mm ed è specificata in un intervallo di temperatura ambiente da -40 a +125 °C. È anche offerto in due modelli diversi: TMAG5273A1 con intervalli di sensibilità di ±40 mT e ±80 mT e TMAG5273A2 che supporta ±133 mT e ±266 mT.

Due assi magnetici selezionati dall'utente sono utilizzati per il calcolo angolare. L'impatto delle fonti di errore meccanico del sistema è ridotto al minimo grazie alle correzioni di guadagno magnetico e di offset. La funzione di compensazione della temperatura integrata può essere usata per compensare indipendentemente le variazioni di temperatura nel magnete o nel sensore. Questi sensori 3D a effetto Hall possono essere configurati attraverso l'interfaccia di comunicazione per consentire combinazioni controllate dall'utente di assi magnetici e misurazioni di temperatura. Il pin ALERT su TMAG5170 o il pin INT su TMAG5273 può essere usato da un MCU per attivare una nuova conversione del sensore.

Le schede di valutazione aiutano a muovere i primi passi

Texas Instruments offre anche due schede di valutazione, una per la serie TMAG5170 e una per la serie TMAG5273, per consentire le valutazioni funzionali di base (Figura 6). TMAG5170EVM include entrambi i modelli TMAG5170A1 e TMAG5170A2 su una scheda CS sganciabile. TMAG5273EVM ha i modelli TMAG5273A1 e TMAG5273A2 su una scheda CS sganciabile. Includono una scheda di controllo sensore che si interfaccia con la GUI (interfaccia grafica utente) per visualizzare e salvare le misurazioni e leggere e scrivere i registri. Il modulo di rotazione e spinta stampato in 3D è usato per testare le funzioni comuni di misurazione angolare.

Figura 6: TMAG5170EVM e TMAG5273EVM includono una scheda sganciabile con due diversi CI di sensori 3D a effetto Hall (in basso a destra), una scheda di controllo sensore (in basso a sinistra), un modulo di rotazione e spinta stampato in 3D (al centro) e un cavo USB per l'alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Figura 7: Illustrazione del modulo di rotazione e spinta stampato in 3D montato sopra l'EVM. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Utilizzo dei sensori 3D Hall

Ci sono alcune considerazioni di implementazione di cui i progettisti devono essere consapevoli quando usano questi sensori di posizione 3D a effetto Hall:

• Per garantire la correttezza dei dati, la lettura SPI del registro dei risultati in TMAG5170 o la lettura I²C in TMAG5273 deve essere sincronizzata con il tempo di aggiornamento della conversione. Il segnale ALERT su TMAG5170 o il segnale INT su TMAG5273 può essere usato per avvisare il controller quando la conversione è completa e i dati sono pronti.
• Un condensatore di disaccoppiamento a bassa induttanza deve essere posto vicino al pin del sensore. Si raccomanda un condensatore ceramico con un valore di almeno 0,01 μF.
• Questi sensori a effetto Hall possono essere incorporati in involucri in materiali non ferrosi come la plastica o l'alluminio, con i magneti di rilevamento posti all'esterno. Sensori e magneti possono anche essere collocati sui lati opposti di una scheda CS.

Conclusione

Con la crescita del movimento e del controllo 3D, i progettisti hanno bisogno di misurazioni accurate in tempo reale, mantenendo i costi al minimo attraverso un progetto semplificato, minimizzando anche il consumo energetico. Come mostrato, i sensori 3D a effetto Hall integrati TMAG5170 e TMAG5273 affrontano questi problemi e offrono la flessibilità di frequenze di campionamento veloci e bassa latenza per il controllo accurato in tempo reale o frequenze di campionamento lente per minimizzare il consumo di energia nei dispositivi alimentati a batteria. L'alta precisione è garantita dagli algoritmi integrati di correzione del guadagno e dell'offset, combinati con la correzione della temperatura indipendente per il magnete e il sensore.

Letture consigliate

1. Nozioni di base sui sensori di prossimità: selezione e utilizzo nell'automazione industriale
2. Perché e come utilizzare la SPI per semplificare le connessioni tra più dispositivi