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引言

機(jī)器人機(jī)制需要通過(guò)編程對(duì)設(shè)置和控制行為進(jìn)行響應(yīng)才能完成特定任務(wù)。這些任務(wù)涵蓋移動(dòng)運(yùn)輸、穩(wěn)定性控制或制造和裝配作業(yè)。機(jī)器人在每種情況下的運(yùn)動(dòng)都通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行控制，該機(jī)制可以直接驅(qū)動(dòng)，或通過(guò)其他方式（例如齒輪箱、皮帶、螺桿或齒條與小齒輪）耦合到系統(tǒng)。

圖 1 機(jī)器人機(jī)制

在所有情況下，電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)都與系統(tǒng)耦合。鑒于各種原因，在任何應(yīng)用中，了解電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置與整體系統(tǒng)行為的關(guān)系都至關(guān)重要。

• 可靠的位置控制，可實(shí)現(xiàn)一致的系統(tǒng)控制
• 降低對(duì)系統(tǒng)、附近物體和人員造成損壞或傷害的風(fēng)險(xiǎn)
• 改進(jìn)功能的同步和時(shí)序控制，可實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)

這些因素會(huì)影響自主移動(dòng)機(jī)器人在倉(cāng)庫(kù)的自行導(dǎo)航能力，或六軸機(jī)械臂執(zhí)行裝配任務(wù)時(shí)的精度和可重復(fù)性。

雖然位置信息可從用于電機(jī)換向的傳感器中逐漸獲得，但通常需要更高的精度才能產(chǎn)生一致的行為。角度編碼通常用于跟蹤電機(jī)軸的位置，以提供所需的精度。

角度編碼設(shè)計(jì)

要測(cè)量電機(jī)軸的絕對(duì)角度，編碼器必須對(duì)電機(jī)軸本身執(zhí)行測(cè)量。大多數(shù)機(jī)器人應(yīng)用都需要通常使用磁感應(yīng)或光學(xué)編碼獲得的絕對(duì)位置信息。為了可靠地運(yùn)行，光學(xué)編碼器需要笨重的外殼來(lái)保護(hù)傳感器免受污垢、灰塵或其他污染物的影響。此外，這些設(shè)計(jì)必須與電機(jī)軸機(jī)械耦合，并且可能會(huì)在運(yùn)行速度上受到限制。

磁感應(yīng)和電感感應(yīng)都能應(yīng)對(duì)這兩個(gè)挑戰(zhàn)。在將磁體連接到電機(jī)軸的情況下，可以通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)來(lái)確定角度位置。有關(guān)此測(cè)量的更多信息，請(qǐng)參閱利用霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)角度應(yīng)用簡(jiǎn)介。

磁感應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)霍爾效應(yīng)磁傳感器本質(zhì)上是一個(gè)維度。霍爾效應(yīng)測(cè)量由洛倫茲力引起的載流元件中的電壓差。本質(zhì)上，施加的磁場(chǎng)、電流和電壓是相互正交的。因此，單個(gè)器件只能測(cè)量三維磁場(chǎng)的一個(gè)分量。

圖 2 霍爾效應(yīng)

要使用反正切函數(shù)有效測(cè)量 360 度全旋轉(zhuǎn)的角度，需要使用兩個(gè)分別為 90 度的感應(yīng)元件。一維霍爾效應(yīng)傳感器的放置 中顯示了使用標(biāo)準(zhǔn)一維傳感器的相應(yīng)布置

圖 3 一維霍爾效應(yīng)傳感器的放置

雖然這種感應(yīng)磁體位置的方法確實(shí)提供了所需的輸入，但它需要對(duì)旋轉(zhuǎn)磁體的兩個(gè)傳感器進(jìn)行物理隔離。每個(gè)傳感器必須與磁體正確對(duì)齊，以實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的輸入?？朔@一挑戰(zhàn)通常需要仔細(xì)組裝。表面貼裝器件可能會(huì)在回流焊過(guò)程中自定位時(shí)旋轉(zhuǎn)，而通孔器件在組裝過(guò)程中需要使用夾具或墊片，以確保高度一致并對(duì)齊。即使在焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了理想對(duì)齊，對(duì)器件施加的力也可能會(huì)彎曲引線并產(chǎn)生非理想對(duì)齊。

因此，TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 等單片 3D 霍爾效應(yīng)傳感器是機(jī)器人位置編碼器的理想選擇。這種類型的器件能夠測(cè)量和報(bào)告 B 場(chǎng)矢量的各個(gè)分量，請(qǐng)參閱圖 4。

圖 4 B 場(chǎng)矢量

在監(jiān)控每個(gè)組件時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁體自然會(huì)向傳感器提供相位差為 90 度的輸入。

圖 5 3D 磁輸入示例

使用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)，用于測(cè)量磁場(chǎng)的霍爾元件在同一芯片內(nèi)相互正交。因此，在尋找角度位置時(shí)，小的焊接錯(cuò)位更容易被接受，因?yàn)閭鞲性冀K保持相互對(duì)齊。當(dāng)使用集成到單個(gè)芯片中的傳感器時(shí)，靈敏度匹配也會(huì)得到改善，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥圃爝^(guò)程中會(huì)遇到類似的情況。

圖 6 3D 霍爾效應(yīng)傳感器

現(xiàn)在只有一個(gè)封裝需要對(duì)齊，磁體的放置更加靈活?？梢允褂冒惭b在軸穿孔上的環(huán)形磁體或標(biāo)準(zhǔn)圓柱形磁體的末端。該傳感器可以方便地放置在磁體可觸及范圍內(nèi)的任何位置，以實(shí)現(xiàn)緊湊的編碼設(shè)計(jì)。

圖 7 3D 霍爾效應(yīng)傳感器的放置

此系列器件的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是能夠通過(guò)數(shù)字接口將數(shù)據(jù)發(fā)送回微控制器。由于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)不易損壞，因此在通過(guò)線纜傳輸時(shí)，干擾電氣噪聲并不重要。對(duì)于所有讀取操作，循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 可確保信號(hào)完整性。這也允許遠(yuǎn)程放置微控制器，從而提高機(jī)械設(shè)計(jì)的多功能性。

TMAG5170 還能夠在正常運(yùn)行期間運(yùn)行自診斷。其中包括檢查內(nèi)部存儲(chǔ)器、V_CC 狀態(tài)、內(nèi)部 LDO 狀態(tài)、輸出引腳電壓、溫度和其他器件功能驗(yàn)證。此功能提供有關(guān)器件狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，以幫助指導(dǎo)可能影響可靠性或安全性的系統(tǒng)操作。