כיצד להשיג חישת מיקום מהירה, מדויקת ובהספק נמוך עבור בקרה בזמן-אמת

השימוש בחישת מיקום תלת-ממדית (3D) עבור בקרה בזמן-אמת הולך וגדל על פני מגוון של יישומי Industry 4.0, החל מרובוטים תעשייתיים ומערכות אוטומטיות ועד לשואבי אבק רובוטיים ואבטחה. חיישני מיקום אפקט הול 3D‏ הם אופציה טובה עבור יישומים אלה מכיוון שהם מספקים עקביות תוצאות גבוהה, וניתן להשתמש בהם גם עם חלונות, דלתות ומארזים עבור גילוי חדירה או השחתה מגנטית.

ועדיין, תכנון מערכת חישה 3D‏ יעילה ובטוחה באמצעות חיישן אפקט הול יכול להיות תהליך מורכב וגוזל זמן. חיישן אפקט הול צריך להתממשק עם מיקרו-בקר (MCU) חזק דיו כדי לשמש כמנוע חישוב זווית ולבצע ממוצע מדידות, כמו גם קיזוז הגבר והיסט לקביעת כיווני מגנט ומיקומי 3D‏. ה-MCU גם צריך לטפל במגוון של דיאגנוסטיקה כולל ניטור השדה המגנטי, טמפרטורת המערכת, תקשורת, רציפות, מסלול האות הפנימי והספקת-הכוח.

בנוסף לתכנון החומרה, פיתוח תוכנה יכול להיות מורכב וגוזל זמן, ולעכב עוד יותר את זמן היציאה לשוק.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, המתכננים יכולים להשתמש ב-IC של חיישני מיקום 3D אפקט Hall משולבים עם מנוע חישוב פנימי. מעגלים-משולבים (IC‏) אלה מפשטים את תכנון התוכנה, מפחיתים את העומס על מעבד המערכת ב-25%, ומאפשרים שימוש ב-MCU לשימוש כללי בעלות נמוכה. הם גם יכולים לספק קצבי דגימה מהירים ושיהוי נמוך עבור בקרה מדויקת בזמן-אמת. בהתקנים מוזני-סוללות ניתן להפעיל חיישני מיקום אפקט הול 3D עם יחסי מחזור של 5 הרץ (Hz‏) או פחות כדי להקטין למינימום את צריכת ההספק. בנוסף, פונקציות משולבות ודיאגנוסטיקה ממקסמים את גמישות התכנון ואת הבטיחות והאמינות של המערכת.

מאמר זה יסקור את היסודות של חיישני מיקום אפקט הול 3D ויתאר את השימוש בהם ברובוטיקה, גילוי השחתה, פקדי ממשק אנוש ומערכות מנוע גימבל (Gimbal‏). לאחר מכן הוא יציג דוגמאות של חיישני מיקום אפקט הול 3D ליניאריים עם דיוק גבוה מבית Texas Instruments, לצד לוחות הערכה והנחיות מימוש כדי להאיץ את תהליך הפיתוח.

מהם חיישני אפקט הול 3D‏?

חיישני אפקט הול 3D‏ יכולים לאסוף מידע על השדה המגנטי השלם, מה שמאפשר שימוש במדידות מרחק וזווית עבור קביעת מיקום בסביבות 3D‏. שני המיקומים הנפוצים ביותר עבור חיישנים אלה הם על-הציר וקופלנרי עם הקיטוב המגנטי (איור 1). כאשר הוא ממוקם על ציר הקיטוב, השדה מספק קלט חד-כיווני לחיישן היכול לשמש עבור קביעת המיקום. מיקום קופלנרי מייצר וקטור שדה המקביל לפני המגנט ללא קשר למרחק לחיישן, מה שמאפשר גם קביעת מיקום וזווית.

איור 1‏: את חיישני מיקום אפקט הול 3D‏ ניתן למקם על-הציר או קופלנרי לשדה המגנטי כדי למדוד את המרחק והתנועה הזוויתית. (מקור התמונה: Texas Instruments)

מערכות Industry 4.0‏ כגון רובוטים זקוקות לחישת תנועה רבת-צירים כדי למדוד את הזווית של זרועות רובוטיות, או בכל גלגל של רובוטים ניידים כדי לתמוך בניווט ובתנועה מדויקים בכל רחבי המפעל. חיישני אפקט הול 3D‏ משולבים מתאימים היטב עבור משימות אלו מכיוון שהם אינם רגישים לרטיבות או לכלוך. מדידות קופלנריות מספקות מדידות שדה מגנטי מדויקות ביותר של צירים מסתובבים (איור 2).

איור 2: חיישני אפקט הול 3D‏ משולבים יכולים למדוד את סיבוב הציר ברובוטים ויישומי Industry 4.0 אחרים. (מקור התמונה: Texas Instruments)

מארזים מאובטחים כגון מדי חשמל וגז, מכונות קופה אוטומטיות (כספומט, ATM), שרתים ארגוניים וציוד נקודות מכירה אלקטרוניות יכולים להשתמש במדידות שדה על-הציר כדי לגלות פריצות (איור 3). כאשר המארז נפתח, צפיפות השטף (B) המורגשת על ידי חיישן אפקט הול 3D‏ יורדת עד לרמה שהיא מתחת למפרט נקודת שחרור השטף (_RP‏B‏) של מתג הול, ואז החיישן שולח התרעה. כאשר המארז סגור, צפיפות השטף המגנטי חייבת להיות גדולה דיה ביחס ל-_RP‏B‏ כדי למנוע התרעות שווא. מכיוון שצפיפות השטף של מגנט נוטה לרדת ככל שהטמפרטורה שלו עולה, השימוש בחיישן אפקט הול 3D‏ עם יכולת קיזוז טמפרטורה יכול לשפר את אמינות המערכת עבור מארזים המשמשים בסביבות תעשייתיות או חוץ.

איור 3‏: גילוי השחתה במארז ניתן למימוש באמצעות חיישני אפקט הול 3D‏ כדי לזהות גישה לא-מורשית. (מקור התמונה: Texas Instruments)

ממשקים ובקרות אנוש במכשירי חשמל ביתיים, ציוד בדיקה ומדידה ואלקטרוניקה אישית יכולים להפיק תועלת מהשימוש בכל שלושת צירי התנועה. חיישן יכול לנטר תנועה במישורי X ו-Y כדי לזהות סיבוב של חוגה ויכול לזהות מתי החוגה נדחפת על ידי ניטור תזוזה גדולה בצירים המגנטיים X ו-Y. ניטור ציר ה-Z מאפשר למערכת לזהות פגמים ולשלוח התרעות על בלאי או נזק שהחוגה עשויה להזדקק לתחזוקה מונעת.

מערכות מנוע גימבל במייצבי מצלמות נישאות-ביד וברחפנים משתמשות בחיישני אפקט הול 3D‏ עם תחומי רגישות לשדה מגנטי ניתנים-לבחירה ופרמטרים ניתנים-לתכנות אחרים כדי לספק מדידות זווית ל-MCU (איור 4). ה-MCU מכוונן באופן רציף את מיקום המנוע לפי הצורך כדי לייצב את הפלטפורמה. חיישן יכול למדוד בצורה מדויקת ועקבית זוויות במיקומים על-הציר ומחוץ-לציר ומספק גמישות תכנון מכני.

איור 4‏: מערכות מנוע גימבל במייצבי מצלמות נישאות-ביד וברחפנים משתמשות בחיישני אפקט הול 3D‏ עם תחומי רגישות לשדה מגנטי ניתנים-לבחירה. (מקור התמונה: Texas Instruments)

מדידות מחוץ-למישור גורמות לרוב לעוצמות שדה מגנטי שונות (הגברים) ולהיסטים שונים בצירים שונים, העלולים לגרום לשגיאות בחישוב הזווית. השימוש בחיישן הול 3D עם תיקוני הגבר והיסט תומך בגמישות במיקום החיישן ביחס למגנט, המבטיח את חישובי הזווית המדויקים ביותר.

חיישני אפקט הול 3D‏ גמישים

Texas Instruments מציעה למתכננים מבחר של חיישני אפקט הול ליניאריים תלת-ציריים, כולל משפחת TMAG5170 של חיישני אפקט הול 3D‏ בדיוק גבוה עם ממשק היקפי טורי (SPI‏) של 10 מגה-הרץ (MHz) ובדיקת יתירות מחזורית (CRC), וכן; משפחת TMAG5273 של חיישני אפקט הול ליניאריים 3D בהספק נמוך עם ממשק I²C ו-CRC.

התקני TMAG5170 ממוטבים עבור חישת מיקום מהירה ומדויקת עם: שגיאה כוללת של מדידה ליניארית של ±2.6% (מקסימום ב-25°C); סחיפת טמפרטורה של הרגישות של ±2.8% (מקסימום), וקצב המרה של 20 קילו-דגימות לשנייה (Ksps) עבור ציר יחיד. להתקני TMAG7273 יש אופני הספק נמוך, כולל: זרם אופן אקטיבי של 2.3 מילי-אמפר (mA‏), זרם יקיצה ואופן שינה של 1 מיקרו-אמפר (µA‏), וזרם אופן שינה של 5‏ ננו-אמפר (nA‏). מעגלים-משולבים (IC‏) אלו כוללים ארבעה בלוקים פונקציונליים עיקריים (איור 5‏):

• בלוק ניהול הספקת-כוח ומתנדים כולל גילוי תת-מתח ומתח-יתר, ממתחים ומתנדים.
• חיישני הול והממתחים הקשורים עם מרבבים, מסנני רעש, חישת טמפרטורה, מעגל אינטגרטור וממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) מרכיבים את בלוק החישה ומדידת הטמפרטורה.
• מעגלי בקרת התקשורת, הגנת פריקה אלקטרוסטטית (ESD), פונקציות כניסה/יציאה (I/O) ו-CRC כלולים בבלוק הממשק.
• בלוק הליבה הדיגיטלית מכיל מעגלי דיאגנוסטיקה לבדיקות המנדטוריות ומאופשרות-משתמש, פונקציות בדק בית אחרות, ומנוע חישוב זווית משולב המספק מידע מיקום זוויתי של 360° עבור מדידות זווית הן על-הציר והן מחוץ-לציר.

איור 5: למעט ממשק SPI (מוצג לעיל) בדגמי TMAG5170 וממשק I²C בדגמי TMAG5273, הבלוקים הפונקציונליים הפנימיים זהים עבור שתי המשפחות של מעגלים-משולבים (IC‏) של חיישני אפקט הול 3D‏. (מקור התמונה: Texas Instruments)

התקני TMAG5170 מסופקים במארז VSSOP עם 8 פינים בגודל x 3.00‏ 3.00 מילימטרים (מ"מ) עם מפרט טמפרטורות סביבה בתחום של 40°C- עד 150°C+. ה-TMAG5170A1 כולל תחומי רגישות של ±25 מילי-טסלה (mT‏), mT‏ 50‏±, ו-mT‏ 100‏±, בעוד שה-TMAG5170A2‏ תומך ב-mT‏ 75‏±, mT‏ 150‏± ו-mT‏ 300‏±.

משפחת TMAG5273 בהספק הנמוך משתמשת במארזי DBV עם 6 פינים בגודל x 1.60‏ 2.90 מ"מ עם מפרט טמפרטורות סביבה בתחום של 40°C- עד 125°C+. היא מוצעת גם בשני דגמים שונים; ה-TMAG5273A1‏ עם תחומי רגישות של mT‏ 40‏± ו- mT‏ 80‏± , וה-TMAG5273A2‏ התומך ב-mT‏ 133‏± ו- mT‏ 266‏±.

שני צירים מגנטיים הנבחרים על ידי המשתמש משמשים עבור חישובי הזווית. ההשפעה של מקורות שגיאה מכניים במערכת מוקטנים למינימום באמצעות תיקוני הגבר והיסט מגנטיים. פונקציית קיזוז טמפרטורה על-הלוח יכולה לשמש כדי לפצות באופן בלתי-תלוי על שינויי טמפרטורה במגנט או בחיישן. את תצורת חיישני אפקט הול 3D אלו ניתן להגדיר דרך ממשק התקשורת כדי לאפשר צירופים מבוקרי-משתמש של צירים מגנטיים ומדידות טמפרטורה. ניתן להשתמש בפין ALERT ב-TMAG5170, או בפין INT ב-TMAG5273, על ידי ה-MCU כדי להפעיל המרת חיישן חדשה.

לוחות הערכה מסייעים בצעדים הראשונים

Texas Instruments גם מציעה שני לוחות הערכה, אחד עבור סדרת TMAG5170 ואחד עבור סדרת TMAG5273, כדי לאפשר הערכות פונקציונליות בסיסית (איור 6). ה-TMAG5170EVM כולל גם את הדגמים TMAG5170A1 וגם את הדגמים TMAG5170A2 על לוח מעגלים מודפסים הניתן-להפרדה. ל-TMAG5273EVM יש את הדגמים TMAG5273A1 ו-TMAG5273A2 על לוח מעגלים מודפסים הניתן-להפרדה. הם כוללים לוח בקרת חיישנים שמתממשק עם ממשק משתמש גרפי (GUI) כדי להציג ולשמור מדידות ולקרוא ולכתוב לרגיסטרים. מודול לוח מעגלים מודפסים 3D‏ בסיבוב-ודחיפה משמש לבדיקת פונקציות נפוצות של מדידה זוויתית.

איור 6: ה-TMAG5170EVM וה-TMAG5273EVM כוללים שניהם לוח ניתן-להפרדה עם שני IC שונים של חיישן אפקט הול 3D‏ (מימין למטה), לוח בקרת חיישן (משמאל למטה), מודול סיבוב ודחיפה 3D‏ (במרכז), וכבל USB עבור הספקת-הכוח. (מקור התמונה: Texas Instruments)

איור 7: איור של מודול הסיבוב והדחיפה 3D‏ המותקן על גבי ה-EVM. (מקור התמונה: Texas Instruments)

השימוש בחיישני הול 3D

ישנם כמה שיקולי מימוש שהמתכננים צריכים להיות מודעים אליהם בעת שימוש בחיישני המיקום אפקט הול 3D‏:

• יש לסנכרן את קריאת ה-SPI של רגיסטר התוצאות ב-TMAG5170, או את קריאת I²C ב-TMAG5273, עם זמן עדכון ההמרה כדי להבטיח את קריאת הנתונים הנכונים. ניתן להשתמש באות ALERT ב-TMAG5170, או באות INT ב-TMAG5273, כדי להודיע לבקר כאשר ההמרה הושלמה והנתונים מוכנים.
• קבל ביטול צימוד עם השראות נמוכה חייב להיות ממוקם קרוב לפין החיישן. מומלץ להשתמש בקבל קרמי עם ערך של לפחות 0.01 מיקרו-פאראד (μF).
• חיישני אפקט הול אלו יכולים להיות משובצים בתוך מארזים העשויים מחומרים לא-ברזליים כגון פלסטיק או אלומיניום עם מגנטי החישה בצד החיצוני. ניתן למקם חיישנים ומגנטים גם בצדדים נגדיים של לוח המעגלים המודפסים.

סיכום

עם הגידול של תנועה ובקרה 3D‏, המתכננים צריכים להשיג מדידות מדויקות בזמן-אמת, תוך שמירה על העלויות במינימום באמצעות תכן פשוט, תוך הקטנה למינימום גם של צריכת ההספק. כפי שהוצג, חיישני אפקט הול 3D המשולבים TMAG5170 ו-TMAG5273 מטפלים בבעיות אלו, ומציעים את הגמישות של קצבי דגימה מהירים ושיהוי נמוכה לטובת בקרה בזמן-אמת מדויקת, או קצבי דגימה איטיים כדי להקטין למינימום את צריכת ההספק בהתקנים מוזני-סוללות. דיוק גבוה מובטח עם אלגוריתמי תיקון ההגבר וההיסט המשולבים, בשילוב עם תיקון טמפרטורה בלתי-תלוי עבור המגנט והחיישן.

קריאה מומלצת

1. יסודות חיישני קירבה: בחירתם ושימוש בהם באוטומציה תעשייתית
2. מדוע וכיצד להשתמש בממשק היקפי טורי כדי לפשט חיבורים בין מספר התקנים