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3D 霍爾效應感測器如何為自動系統提供精確且即時的位置控制
[作者 德州儀器提供]   2021年11月02日 星期二 瀏覽人次: [5161]

自主移動機器人可自動執行非技術性任務,像是在倉庫中運輸材料。它們的車輪內裝設位置感測與速度控制等高精確系統,以便在工廠或倉庫裡安全有效率地移動,可優化製造流程,提升產出量及生產力。


隨著工業 4.0 將先進製程推往全球市場,對高度自動系統的需求也大幅增加。這些系統可以整合製造流程運作並持續收集製程控制資料,應用範圍包含機械手臂的磁性編碼器、近接感測器、致動器、壓力傳送器、線性馬達與自主移動機器人,其中多數需要利用先進位置感測解決方案來控制性能以及工廠級資料,以便讓裝置做出更適當的決策、操作起來也更安全可靠。


自主移動機器人(如圖 1 ) 可自動執行非技術性任務,像是在倉庫中運輸材料。這些工業機器人可優化製造流程,提升產出量及生產力。自主移動機器人的車輪內也裝設位置感測與速度控制等高精確系統,以便在工廠或倉庫裡安全有效率地移動。



圖1 : 自動行動機器人通過倉庫地板
圖1 : 自動行動機器人通過倉庫地板

位置感測系統常用於高效能自動系統中,以便控制機器動作,對位置感測技術的選擇也會直接影響整體系統的成本和效能。在評估最佳位置感測解決方案時,應考慮感測準確性、速度、功率、靈活性及可靠性等。


多軸線性霍爾效應位置感測器幫助提升設備效能

多軸線性霍爾效應位置感測器適用於精確自動化工業應用,因為它可提供高度準確、快速且可靠的絕對位置量測。並提供更準確的即時控制,幫助提升設備效能、系統效率最佳化及減少停機時間。


再回到自主移動機器人的例子,圖 2 中的方塊圖說明車輪馬達和馬達控制器間的回饋迴路,使用 TI 的線性 3D 霍爾效應位置感測器來監控馬達軸與馬達驅動器的確切角度位置,進而轉動馬達。在回饋迴路所有元件中,線性 3D 霍爾效應感測器會直接影響到系統頻寬和延遲。若採用高頻寬量測的感測器,您將可提高回饋迴路的整體速度,並提升系統效能。


同樣地,位置感測器的量測準確度決定了馬達動作的可控程度。但感測器的速度和準確度常對彼此造成影響,進而限制了系統效能。TI的感測器可用高達 20 kSPS 的感測速度提供高傳輸數值,並以最高 2.6% 的整體誤差提供高度準確的線性量測,讓您不用在兩者間進行取捨。



圖2 : 使用線性 3D 霍爾效應位置感測器的自動行動機器人車輪馬達模組方塊圖
圖2 : 使用線性 3D 霍爾效應位置感測器的自動行動機器人車輪馬達模組方塊圖

根據電池管理系統或電源供應的設計,功耗也是選擇位置感測器時應考量的重要規格之一。電池供電系統或具低電源供應的系統 (例如遠端 4 到 20 mA 迴路),通常需要具有喚醒、休眠與深度休眠模式等低功率操作模式的感測器,幫助實現最佳功耗與傳輸速率。TMAG5170 的多重操作模式和取樣率可提高電源效率,效率比其他精確線性 3D 霍爾效應感測器高出至少 70%,並可在 1 到 20 kHz 的取樣範圍中,為電池供電裝置或以系統效率為優先的輕負載模式提供最佳功耗。


位置感測器通常有最嚴格的機械配置限制。選擇具備可選電磁感測範圍和溫度補償選項的多元線性 3D 霍爾效應感測器,可為磁與機械設計帶來靈活性。此解決方案 擁有晶片內角度計算引擎,可省去晶片外處理的需求,並可為角度感測應用中的感測器與磁鐵提供機械配置靈活性,其中包含軸上與離軸配置。


自動化工業系統與人類一起工作已趨向常態,因此越來越需要額外安全措施確保作業安全,也需提升診斷功能以避免停機時間與品質問題。位置感測器讀值的可靠性就和準確度、速度、功率與靈活性一樣重要。若選擇只有幾個或沒有診斷功能的感測器,可能需要配置數個外部元件才能確保感測器資料的準確性及可靠性,進而增加設計的材料清單 (BOM)。


透過提供獨特的智慧型診斷功能組合,像是通訊、連續性和內部訊號路徑檢查,還有電源供應、輸入磁場和系統溫度的可配置診斷。無需使用額外元件來確保感測器資料準確,因此可實現長期可靠性並減少 BOM。


高速且高準確的位置感測器可為自動工業系統實現下一代即時控制。精確線性 3D 霍爾效應感測器可幫助設計師達到工業 4.0 市場趨勢所需的快速、準確與可靠量測,並且不需犧牲效能或增加功耗與成本。


(本文作者為Kevyn Robins)


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