實時精準的位置控制需求推動3D霍爾效應傳感器發(fā)展

電子發(fā)燒友網報道（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。而自動化設備離不開電機的助力，這幾年來，效率更高的BLDC電機的應用范圍越來越廣。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，讓做霍爾效應傳感器的企業(yè)感到了一絲危機。曾經有霍爾效應傳感器企業(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，在驅動機器人各個關節(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霍爾效應傳感器就排上用場了。

3D霍爾效應傳感器與傳統(tǒng)霍爾效應傳感器的差別

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在哪些方面呢？德州儀器（TI）位置傳感器產品線市場和應用總經理Steven Loveless指出，傳統(tǒng)的線性霍爾效應傳感器和3D霍爾效應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，但事實是很多應用（例如角度傳感）就需要使用兩個，甚至多個1D霍爾效應傳感器。

當然，他也介紹了TI近期推出的3D霍爾效應傳感器產品TMAG5170。在他看來，TI使用其獨有的精密模擬處理技術和享有知識產權的電路技術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Steven Loveless介紹，TMAG5170最重要的成就是將3D傳感器行業(yè)領先的精度和極低的誤差漂移與精密霍爾效應傳感器的最高吞吐量相結合。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內部框圖（來源：TI官網）

這些特性使TMAG5170能夠提供比任何其他3D霍爾效應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)設計和制造。

測量精度和速度是固定的衡量標準，為了實現更快、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。該設備可以配置為測量軸（X，Y或Z）的任意組合，因此該設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。該設備的設計便于安裝和使用，因此客戶可以選擇適合其系統(tǒng)的傳感器，而不是去設計適合傳感器的系統(tǒng)。

3D霍爾效應傳感器的主要應用場景

說到3D霍爾效應傳感器的應用場景，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霍爾效應傳感器的廠家不多？

其實，目前市面上可以提供3D霍爾效應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)性的技術問題，因為用于X和Y方向的霍爾傳感器元件在標準半導體工藝中制造工藝復雜。

另外，如何協(xié)調三個不同的軸也同樣是一個富有挑戰(zhàn)的技術問題，“也是利用我們的內部制造工藝技術超越競爭對手進行創(chuàng)新的關鍵領域?！彼硎?。

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