Como obter um sensoriamento de posição rápido, preciso e de baixa potência para controle em tempo real

O uso do sensor de posição tridimensional (3D) para controle em tempo real está crescendo em uma variedade de aplicações da indústria 4.0, desde robôs industriais e sistemas automatizados até aspiradores de robô e segurança. Os sensores de posição 3D de efeito Hall são uma boa opção para estas aplicações, pois proporcionam alta repetibilidade e confiabilidade, e também podem ser usados com janelas, portas e gabinetes para detecção magnética de adulteração ou de intrusão.

Ainda assim, projetar um sistema de detecção 3D eficaz e seguro usando um sensor de efeito Hall pode ser um processo complexo e demorado. O sensor de efeito Hall precisa fazer interface com um microcontrolador (MCU) suficientemente poderoso para atuar como um motor de cálculo de ângulo e para realizar a média de medição, bem como a compensação de ganho e deslocamento para determinar as orientações magnéticas e posições 3D. O MCU também precisa lidar com uma variedade de diagnósticos, incluindo o monitoramento do campo magnético, temperatura do sistema, comunicação, continuidade, caminho do sinal interno e a fonte de alimentação.

Além do projeto de hardware, o desenvolvimento de software pode ser complexo e demorado, atrasando ainda mais o tempo de colocação no mercado.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas podem usar CIs com sensores de posição 3D integrados de efeito Hall com um motor de cálculo interno. Estes CIs simplificam o projeto do software e reduzem a carga do processador do sistema em até 25 %, permitindo o uso de um MCU de baixo custo e de uso geral. Eles também podem fornecer taxas de amostragem rápidas e baixa latência para um controle preciso em tempo real. Em dispositivos alimentados por bateria, os sensores de posição 3D de efeito Hall podem ser operados com ciclos de trabalho de 5 Hertz (Hz) ou menos para minimizar o consumo de energia. Além disso, as funções e diagnósticos integrados maximizam a flexibilidade do projeto e a segurança e confiabilidade do sistema.

Este artigo analisa os fundamentos dos sensores de posição 3D de efeito Hall e descreve seu uso em robótica, detecção de adulteração, controles de interface humana e sistemas de motor cardã. Em seguida, apresenta exemplos de sensores de posição lineares e 3D de efeito Hall de alta precisão da Texas Instruments, junto com placas de avaliação associadas e orientações de implementação para acelerar o processo de desenvolvimento.

O que são sensores 3D de efeito Hall?

Os sensores 3D de efeito Hall podem reunir informações sobre o campo magnético completo, permitindo o uso de medições angulares e de distância para determinação de posição em ambientes 3D. As duas colocações mais comuns para estes sensores são no eixo e coplanar com a polarização magnética (Figura 1). Quando colocado no eixo de polarização, o campo fornece uma entrada unidirecional para o sensor que pode ser usada para determinação da posição. A colocação coplanar produz um vetor de campo que é paralelo à face do imã, independentemente do alcance do sensor, permitindo também a determinação da posição e do ângulo.

Figura 1: Os sensores de posição 3D de efeito Hall podem ser colocados no eixo ou coplanar ao campo magnético para medir a distância e o movimento angular. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Sistemas industriais 4.0, tais como robôs, precisam de sensores de movimento multieixos para medir o ângulo dos braços robóticos, ou em cada roda de robôs móveis para dar suporte a navegação e o movimento preciso em toda uma instalação. Os sensores integrados 3D de efeito Hall são bem adequados para estas tarefas, uma vez que não são suscetíveis à umidade ou sujeira. As medições coplanares fornecem medições altamente precisas do campo magnético dos eixos rotativos (Figura 2).

Figura 2: Os sensores integrados 3D de efeito Hall podem medir a rotação do eixo em robôs e outras aplicações da indústria 4.0. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Gabinetes protegidos como medidores de eletricidade e de gás, caixas automáticos (ATMs), servidores empresariais e equipamentos eletrônicos de ponto de venda podem usar medidas de campo no eixo para detectar intrusões (Figura 3). Quando o invólucro for aberto, a densidade de fluxo (B) detectada pelo sensor 3D de efeito Hall diminui até cair abaixo da especificação do ponto de liberação do fluxo (B_RP) da chave Hall, momento em que o sensor envia um alerta. Quando o invólucro for fechado, a densidade de fluxo magnético deve ser suficientemente grande em relação ao B_RP para evitar falsos alertas. Como a densidade do fluxo de um ímã tende a diminuir à medida que sua temperatura aumenta, o uso de um sensor 3D de efeito Hall com capacidade de compensação de temperatura pode melhorar a confiabilidade do sistema para gabinetes utilizados em ambientes industriais ou ao ar livre.

Figura 3: A detecção de adulteração do gabinete pode ser implementada com sensores 3D de efeito Hall para identificar o acesso não autorizado. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Interfaces humanas e controles em eletrodomésticos, equipamentos de teste e medição e eletrônicos pessoais podem se beneficiar do uso de todos os três eixos de movimento. Um sensor pode monitorar o movimento nos planos X e Y para identificar a rotação de um mostrador e pode identificar quando o mostrador é empurrado monitorando um grande deslocamento nos eixos magnéticos X e Y. O monitoramento do eixo Z permite que o sistema identifique desalinhamentos e envie alertas de desgaste ou danos que o mostrador possa necessitar de manutenção preventiva.

Os sistemas de motor cardã em estabilizadores de câmera portáteis e drones se beneficiam do uso de sensores 3D de efeito Hall com faixas selecionáveis de sensibilidade do campo magnético e outros parâmetros programáveis para fornecer medições de ângulo a um MCU (Figura 4). O MCU ajusta continuamente a posição do motor conforme necessário para estabilizar a plataforma. Um sensor que pode medir com acurácia e precisão os ângulos nas posições dentro e fora do eixo, oferece flexibilidade de projeto mecânico.

Figura 4: Motores cardãs em plataformas de câmeras portáteis e drones se beneficiam de sensores 3D de efeito Hall com faixas selecionáveis de sensibilidade do campo magnético. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

As medições fora do plano geralmente causam diferentes forças de campo magnético (ganhos) e diferentes deslocamentos em diferentes eixos, o que pode causar erros de cálculo de ângulos. O uso de um sensor Hall 3D com correções de ganho e deslocamento suporta flexibilidade, ao colocar o sensor em relação ao ímã, garantindo os cálculos mais precisos de ângulo.

Sensores flexíveis 3D de efeito Hall 3D

A Texas instruments oferece aos projetistas uma seleção de sensores de efeito Hall lineares e de três eixos incluindo a família TMAG5170 de sensores de efeito Hall lineares e 3D de alta precisão com uma interface periférica serial (SPI) de 10 megahertz (MHz) e verificação cíclica de redundância (CRC), e; a família TMAG5273 de sensores de efeito Hall lineares e 3D de baixa potência com uma interface I²C e CRC.

Os dispositivos TMAG5170 são otimizados para detecção rápida e precisa da posição e incluem: erro total de medição linear de ±2,6 % (máximo a 25 °C); desvio da sensibilidade de temperatura de ±2,8 % (máximo), e; taxa de conversão de 20 quiloamostras por segundo (Ksps) para um único eixo. Os dispositivos TMAG7273 apresentam modos de baixa potência, incluindo: 2,3 miliamperes (mA) de corrente de modo ativo; 1 microamperes (µA) de corrente de modo de despertar e suspensão, e; 5 nanoamperes (nA) de corrente de modo de suspensão. Estes CIs incluem quatro blocos funcionais primários (Figura 5):

• O bloco de Gerenciamento de Energia e Oscilador inclui detecção de subtensão e sobretensão, polarização e osciladores.
• Os sensores Hall e a polarização associada com multiplexadores, filtros de ruído, sensoriamento de temperatura, circuito integrador e um conversor analógico-digital (ADC) compõem o bloco de Sensoriamento e Medição de Temperatura.
• O circuito de controle de comunicação, a proteção contra descarga eletrostática (ESD), as funções de entrada/saída (E/S) e o CRC estão incluídos no Bloco de Interface.
• O Núcleo Digital contém circuitos de diagnóstico para verificações de diagnóstico obrigatórias e habilitadas pelo usuário, outras funções de manutenção e um motor integrado de cálculo do ângulo que fornece informações em 360° da posição angular para medições de ângulo tanto no eixo quanto fora do eixo.

Figura 5: Exceto para uma interface SPI (mostrada acima) nos modelos TMAG5170 e uma interface I²C nos modelos TMAG5273, os blocos funcionais internos são os mesmos para ambas as famílias de CIs com sensor 3D de efeito Hall. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Os dispositivos TMAG5170 são fornecidos em um invólucro VSSOP de 8 pinos medindo 3,00 x 3,00 milímetros (mm) e são especificados em uma faixa de temperatura ambiente de -40 °C a +150 °C. O TMAG5170A1 inclui faixas de sensibilidade de ±25 militesla (mT), ±50 mT e ±100 mT, enquanto o TMAG5170A2 suporta ±75 mT, ±150 mT e ±300 mT.

A família TMAG5273 de baixa potência usa invólucros DBV de 6 pinos medindo 2,90 x 1,60 mm e é especificada em uma faixa de temperatura ambiente de -40 °C a +125 °C. Também é oferecido em dois modelos diferentes; o TMAG5273A1 com faixas de sensibilidade de ±40 mT e ±80 mT, e o TMAG5273A2 que suporta ±133 mT e ±266 mT.

Dois eixos magnéticos selecionados pelo usuário são usados para o cálculo do ângulo. O impacto das fontes de erro mecânico do sistema é minimizado através do ganho magnético e correções de deslocamento. A função de compensação de temperatura na placa pode ser usada para compensar independentemente as mudanças de temperatura no ímã ou no sensor. Estes sensores 3D de efeito Hall podem ser configurados através da interface de comunicação para permitir combinações de eixos magnéticos e medições de temperatura controladas pelo usuário. O pino ALERT no TMAG5170, ou o pino INT no TMAG5273, pode ser usado por um MCU para acionar uma nova conversão do sensor.

As placas de avaliação ajudam a começar

A Texas Instruments também oferece duas placas de avaliação, uma para a série TMAG5170 e outra para a série TMAG5273, para permitir avaliações funcionais básicas (Figura 6). O TMAG5170EVM inclui tanto o modelo TMAG5170A1 quanto o TMAG5170A2 em uma placa de circuito impresso de encaixe separada. O TMAG5273EVM tem os modelos TMAG5273A1 e TMAG5273A2 em uma placa de circuito impresso de encaixe separada. Eles incluem uma placa de controle de sensor que faz interface com a interface gráfica do usuário (GUI) para visualizar e salvar medições e ler e escrever nos registradores. O módulo impresso em 3D de rotacionar e empurrar é utilizado para testar funções comuns de medição angular.

Figura 6: O TMAG5170EVM e o TMAG5273EVM incluem ambos uma placa de encaixe separada com dois CIs sensores 3D de efeito Hall diferentes (inferior direito), uma placa de controle de sensor (inferior esquerdo), módulo impresso em 3D de rotacionar e empurrar (centro), e um cabo USB para fornecer energia. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Figura 7: Ilustração do módulo de rotacionar e empurrar impresso em 3D montado no topo do EVM. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Usando os sensores 3D Hall

Há algumas considerações de implementação que os projetistas precisam estar cientes quando usam estes sensores de posição 3D de efeito Hall:

• A leitura SPI do registrador de resultados no TMAG5170, ou a leitura I²C no TMAG5273, precisa ser sincronizada com o tempo de atualização da conversão para garantir que os dados corretos sejam lidos. O sinal ALERT no TMAG5170, ou o sinal INT no TMAG5273, pode ser usado para notificar o controlador quando uma conversão estiver completa e os dados estiverem prontos.
• Um capacitor de desacoplamento de baixa indutância deve ser colocado próximo ao pino do sensor. Recomenda-se um capacitor de cerâmica com valor de pelo menos 0,01 microfarad (μF).
• Estes sensores de efeito Hall podem ser embutidos dentro de gabinetes feitos de materiais não ferrosos, como plástico ou alumínio, com os ímãs de detecção no lado de fora. Os sensores e ímãs também podem ser colocados em lados opostos de uma placa de circuito impresso.

Conclusão

Com o crescimento do movimento e controle 3D, os projetistas precisam obter medições precisas em tempo real, ao mesmo tempo em que mantêm os custos a um mínimo através de um projeto simplificado, além também de minimizar o consumo de energia. Como mostrado, os sensores integrados 3D de efeito Hall TMAG5170 e TMAG5273 abordam essas questões, oferecendo a flexibilidade de taxas de amostragem rápidas e baixa latência para controle preciso em tempo real, ou taxas de amostragem lentas para minimizar o consumo de energia em dispositivos alimentados por bateria. A alta precisão é garantida com os algoritmos integrados de correção de ganho e deslocamento, combinados com a correção independente da temperatura para o ímã e sensor.

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