引言

對于任何機構(gòu)而言，若能監(jiān)控移動物體的位置并反饋至微控制器，均可提高機械精度，增加功能用途，并改善質(zhì)量。根據(jù)所跟蹤運動和系統(tǒng)反饋形式，有多種檢測器件可供選擇。

為此而使用霍爾效應傳感器時，位置編碼就是一種無接觸解決方案，幾乎能在各種環(huán)境中檢測自由移動物體的運動。

尤其重要的是，3D 霍爾效應傳感器功能獨特，可提供完整磁場的相關信息，能夠檢測所有 3D 運動的絕對位置。因此，這些器件在許多位置檢測應用中都發(fā)揮了重要作用，例如操縱桿、自動化系統(tǒng)中的線性位置模塊和換檔器等。

自由空間中的磁體

以 3D 霍爾效應傳感器為例，該傳感器可以檢測和監(jiān)控在其周圍自由空間中移動的任何磁體。根據(jù)磁場在磁極下的分布具有對稱性，可以快速推導出能夠產(chǎn)生相同輸入條件的多個位置。因此，該功能需要仔細規(guī)劃，以便可靠確定絕對位置。

所有偶極磁體均可用于此目的，在傳感器周圍手動定位磁體所需的力會沿每條軸線變化。然而，所面臨的挑戰(zhàn)卻是確保磁通密度的變化可用于區(qū)分磁體的運動。

圖 1 磁場示例

仔細觀察矢量線之后，發(fā)現(xiàn)有兩個相對位置似乎能解決這一難題。將傳感器置于極化軸線中心，無論與磁體之間的距離如何，都可為傳感器提供易于識別的單向輸入。同樣，與磁極邊界共面放置也會產(chǎn)生相同的效果。在該位置，無論傳感器的距離如何，矢量都將與磁體表面平行。

圖 2 單向矢量位置

這兩個位置易于與傳感器對齊，因而能為演示此概念提供簡單方法。

對于傳感器沿圓柱形磁體軸線方向布置的情形，可以通過檢查輸入場的幅值強度并根據(jù)方程式 1 計算出距離，進而確定磁體接近度

類似地，還可使用塊狀磁體并根據(jù)方程式 2 來確定接近度

其中：

• B_r = 磁體的剩磁
• W = 塊狀磁體的寬度
• L = 塊狀磁體的長度
• T = 磁體的厚度
• z = 磁體表面與極化軸線之間的距離。
• r = 圓柱形磁體的半徑

現(xiàn)在，根據(jù)這些計算結(jié)果，可以確定磁體極化后的矢量線上任何位置的磁通密度。這種關系可用于跟蹤磁體遠離或靠近傳感器時的位置。但要求磁極應始終朝向傳感器。如果磁體與傳感器的 z 軸對齊，該方向通常也是一維傳感器可能采用的方向。在多數(shù)情況下，需要增加第二自由度。以固定距離繞傳感器旋轉(zhuǎn)磁體，可使磁通密度保持不變，但矢量的指向會改變。使用 3D 霍爾效應傳感器進行測量時，將磁體置于傳感器虛球面上任何位置，且磁極徑向朝內(nèi)，都將產(chǎn)生幅值恒定的矢量。

圖 3 繞傳感器的恒定半徑

磁通密度的總幅值如方程式 3 所示

根據(jù)公式 1 和 3 進行反向計算，可確定距離傳感器的半徑 r。還可以使用 B 磁場的 X、Y 和 Z 分量的相對幅值來確定 φ 和 θ，從而完成如圖 3 所示球面幾何體中的位置計算。也可根據(jù)需要將其轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標基準。

演示該運動時，請考慮TMAG5170 軌道附件 所示的軌道操縱桿。其中，磁體可安裝在滑動螺柱上，然后通過轉(zhuǎn)動該螺柱來調(diào)整傳感器的范圍。滑塊會引導磁體在 θ 方向上沿彎曲臂上下移動。此外，彎曲臂還可在 φ 方向上繞傳感器 360° 旋轉(zhuǎn)。

圖 4 TMAG5170 軌道附件

例如，可在磁體繞傳感器旋轉(zhuǎn)時捕獲數(shù)據(jù)，并生成繞傳感器（例如 TMAG5170 或 TMAG5173-Q1）的磁體位置圖。圖 5 為 3D 圖，展示了在磁體繞傳感器移動時基于輸入磁通密度所捕獲的采樣位置。由于塑料的機械撓性和組裝公差，半徑可能略微改變。考慮這些變化之后，可以從輸出數(shù)據(jù)中提取磁體位置，從而獲得大多數(shù)運動的位置跟蹤。

圖 5 軌道附件示例數(shù)據(jù)

此附件旨在連接到 TMAG5170EVM。軌道設計文件中提供了 3D 設計文件。

游戲手柄

霍爾效應傳感器同樣適用于操縱桿功能。在樞軸末端安裝磁體，可設計出 4 位操縱桿，如圖 6 所示。在每個位置安裝 DRV5032 等霍爾效應開關，可實現(xiàn)該控制的簡單設計，能夠檢測磁體的傾斜度。

圖 6 四向操縱桿

如果仔細放置，每個傳感器僅在磁體朝向其所在方向傾斜時才會獲得足夠的輸入磁通密度。這樣，每個操縱桿位置僅與一個傳感器相關。與機電系統(tǒng)相比，這種方法的突出優(yōu)勢是霍爾效應傳感器為無接觸型，可減少機械故障點總數(shù)。

該配置的缺點則是位置信息本質(zhì)上為二進制數(shù)。無論各位置是打開還是關閉，都無法確定傾斜度。若要保留 4 向操縱桿，同時增加幅值，可將所有 DRV5032 開關更換為 DRV5055 器件開關。DRV5055 能夠根據(jù)磁場輸入的幅值產(chǎn)生線性輸出。更換之后，每個傳感器都能產(chǎn)生可變輸出，可用于確定操縱桿在四個方向中的任意方向上的搖擺距離。

為了進一步擴展此概念，TMAG5170 或 TMAG5173-Q1 等 3D 霍爾效應傳感器可以確定傾斜度和角度。如果將磁體改為球形，則其可用作機械樞軸，從而充分減小總體設計尺寸。請參閱拇指切換操縱桿分解圖 中的示例。

圖 7 拇指切換操縱桿分解圖

磁極向下指向傳感器時，磁場的指向完全為 z 軸方向。然后，當磁體朝任何方向傾斜時，所產(chǎn)生的矢量都具有 x 和 y 分量。僅根據(jù) X 和 Y 分量來計算幅值，就可確定傾斜度。

此外，可將 x 和 y 分量作為輸入，使用反正切函數(shù)來計算角度。

該磁體越傾斜，這些軸產(chǎn)生的幅值就越大。最終結(jié)果是：機構(gòu)就可快速輕松確定傾斜幅值和角度。

圖 8 B 場幅值和角度

此附件旨在連接到 TMAG5170 EVM。3D 設計文件見游戲手柄設計文件。

有關使用線性霍爾效應傳感器及一維或 3D 位置傳感器來測量絕對位置的更多詳細信息和指南，請參閱表 1 和表 2。