實時精準的位置控制需求推動3D霍爾效應(yīng)傳感器發(fā)展

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智）隨著先進制造的呼聲越來越高，高度自動化系統(tǒng)的需求在急劇增長。而自動化設(shè)備離不開電機的助力，這幾年來，效率更高的BLDC電機的應(yīng)用范圍越來越廣。BLDC電機的無傳感器控制解決方案在不斷改進后，越來越多的電機控制方案開始趨向于采用無傳感器方案。

BLDC的無傳感器方案的流行，讓做霍爾效應(yīng)傳感器的企業(yè)感到了一絲危機。曾經(jīng)有霍爾效應(yīng)傳感器企業(yè)的銷售跟小編交流時，不無擔心地表示，未來要是都不用霍爾效應(yīng)傳感器了，那他們企業(yè)未來還有發(fā)展前景嗎。

作為銷售，他這個擔心無可厚非，畢竟需求減少了就意味著業(yè)績增長更加困難了。其實，在一些特定的控制場景中，還是需要傳感器的，特別是位置測量傳感器，比如3D霍爾效應(yīng)傳感器就比較受歡迎，因為它能夠測量真實的位置。一個明顯的用例是，在驅(qū)動機器人各個關(guān)節(jié)的電機進行換相時，需要對機器人手臂伸展的距離或方向、當前定位的角度進行測量，此時3D霍爾效應(yīng)傳感器就排上用場了。

3D霍爾效應(yīng)傳感器與傳統(tǒng)霍爾效應(yīng)傳感器的差別

3D意味著傳感器元件可以測量X，Y和Z軸的磁場。與通常只能測量單一維度磁場的傳統(tǒng)1D傳感器相比，3D傳感器使設(shè)備能夠測量以任何方向放置在印制電路板（PCB）上的磁體，甚至可以測量多個維度并進行磁通角或振幅的片上計算。

功能更多，性能更好了，是不是就意味著成本提高了很多呢？他們的成本差異主要體現(xiàn)在哪些方面呢？德州儀器（TI）位置傳感器產(chǎn)品線市場和應(yīng)用總經(jīng)理Steven Loveless指出，傳統(tǒng)的線性霍爾效應(yīng)傳感器和3D霍爾效應(yīng)傳感器之間的成本差異取決于二者核心性能的差異。他同時指出，通常情況下，使用3D器件的成本會低于使用兩個1D器件的成本，但事實是很多應(yīng)用（例如角度傳感）就需要使用兩個，甚至多個1D霍爾效應(yīng)傳感器。

當然，他也介紹了TI近期推出的3D霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)品TMAG5170。在他看來，TI使用其獨有的精密模擬處理技術(shù)和享有知識產(chǎn)權(quán)的電路技術(shù)以極低的附加成本集成了3D精密傳感元件。且由于TMAG5170集成了更多的功能，例如角度計算引擎和誤差校正單元，降低了傳感器外部組件的成本，從而可以幫助客戶降低整體解決方案的成本。

TMAG5170的重要特性

據(jù)Steven Loveless介紹，TMAG5170最重要的成就是將3D傳感器行業(yè)領(lǐng)先的精度和極低的誤差漂移與精密霍爾效應(yīng)傳感器的最高吞吐量相結(jié)合。該傳感器在瞬時和過溫狀態(tài)下都具有出色的精度，并且無需考慮交叉軸靈敏度。具體來說，該傳感器可在室溫下提供低至2.6%的滿量程總誤差。它還具有低至3%的總誤差漂移（比同類競品至少低30%），并且在橫軸場存在的情況下，誤差比同類器件至少低35%。

圖1：TMAG5170內(nèi)部框圖（來源：TI官網(wǎng)）

這些特性使TMAG5170能夠提供比任何其他3D霍爾效應(yīng)位置傳感器更高的精度，無需終端校準和片外誤差補償，可簡化系統(tǒng)設(shè)計和制造。

測量精度和速度是固定的衡量標準，為了實現(xiàn)更快、更準確的實時控制，該傳感器支持高達20 kSPS的測量，可實現(xiàn)高速機械運動的低延遲吞吐量。而且該傳感器還具有其他優(yōu)勢，如利用其內(nèi)置的低功耗模式，當用戶無需使用最高速度時，它是市面上功耗最低的精密傳感器。

他特意指出，TMAG5170還有一個主要優(yōu)勢就是安裝的簡易性和磁場測量的靈活性。該設(shè)備可以配置為測量軸（X，Y或Z）的任意組合，因此該設(shè)備可以相對于它所測量的磁體以任何方向放置。還有一些靈敏度范圍在50mT到300mT的最大可測量磁場存在，因此該傳感器可以與大量不同的或距離更遠的磁體一起使用。

此外，甚至還有集成的溫度補償選項以及片上溫度傳感器，所以可以使用多種磁性材料而不降低其性能。該設(shè)備的設(shè)計便于安裝和使用，因此客戶可以選擇適合其系統(tǒng)的傳感器，而不是去設(shè)計適合傳感器的系統(tǒng)。

3D霍爾效應(yīng)傳感器的主要應(yīng)用場景

說到3D霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用場景，Steven Loveless認為，通常情況下，任何利用位置或運動反饋來提供實時控制的系統(tǒng)都可能受益于精密的3D霍爾效應(yīng)傳感器。從精密閥門到執(zhí)行器控制、自主移動機器人到線性電機系統(tǒng)，任何自動化或機器人系統(tǒng)都可能使用3D傳感器進行線性或角度測量。

圖 2：采用TMAG5170線性3D霍爾效應(yīng)位置傳感器的自主移動機器人輪子電機模塊方框圖（來源：TI）

為何推出3D霍爾效應(yīng)傳感器的廠家不多？

其實，目前市面上可以提供3D霍爾效應(yīng)的傳感器廠家并不多，這是什么原因造成的呢？在Steven Loveless看來，主要還是技術(shù)挑戰(zhàn)性比較大。他指出，測量3D磁場是一個非常具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題，因為用于X和Y方向的霍爾傳感器元件在標準半導(dǎo)體工藝中制造工藝復(fù)雜。

另外，如何協(xié)調(diào)三個不同的軸也同樣是一個富有挑戰(zhàn)的技術(shù)問題，“也是利用我們的內(nèi)部制造工藝技術(shù)超越競爭對手進行創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域?！彼硎?。

但是，目前市場上的新應(yīng)用越來越需要具備多軸傳感器功能，未來需要3D霍爾效應(yīng)傳感器的應(yīng)用場景將越來越多，未來的需求將會更多，希望能有更多的公司突破技術(shù)瓶頸，推出更有競爭力的產(chǎn)品。