Détection de position rapide, précise et basse consommation pour le contrôle en temps réel

L'utilisation de la détection de position tridimensionnelle (3D) pour le contrôle en temps réel se développe dans une variété d'applications de l'Industrie 4.0, des robots industriels et des systèmes automatisés aux aspirateurs robots et aux systèmes de sécurité. Les capteurs de position à effet Hall 3D constituent une bonne option pour ces applications, car ils offrent une répétabilité et une fiabilité élevées. Ils peuvent également être utilisés avec des fenêtres, des portes et des enceintes pour la détection d'intrusion ou d'intégrité magnétique.

Pourtant, la conception d'un système de détection 3D efficace et sûr utilisant un capteur à effet Hall peut être un processus complexe et fastidieux. Le capteur à effet Hall doit interfacer avec un microcontrôleur (MCU) suffisamment puissant pour agir comme moteur de calcul d'angle et pour effectuer le moyennage des mesures, ainsi que la compensation de gain et de décalage pour déterminer les orientations des aimants et les positions 3D. Le microcontrôleur doit également gérer une série de diagnostics, notamment la surveillance du champ magnétique, de la température du système, de la communication, de la continuité, du trajet du signal interne et de l'alimentation.

Outre la conception matérielle, le développement logiciel peut se révéler complexe et prendre du temps, ce qui retarde encore la mise sur le marché.

Pour relever ces défis, les concepteurs peuvent utiliser des circuits intégrés de capteurs de position 3D à effet Hall avec un moteur de calcul interne. Ces circuits intégrés simplifient la conception des logiciels et réduisent la charge du processeur système jusqu'à 25 %, ce qui permet l'utilisation d'un microcontrôleur à usage général économique. Ils peuvent également fournir des fréquences d'échantillonnage rapides et une faible latence pour un contrôle précis en temps réel. Dans les dispositifs alimentés par batterie, les capteurs de position à effet Hall 3D peuvent fonctionner avec des rapports cycliques de 5 Hertz (Hz) ou moins pour minimiser la consommation d'énergie. De plus, les fonctions et les diagnostics intégrés maximisent la flexibilité de conception ainsi que la sécurité et la fiabilité du système.

Cet article passe en revue les principes fondamentaux des capteurs de position à effet Hall 3D et décrit leur utilisation dans la robotique, la détection d'intégrité, les contrôles d'interface humaine et les systèmes de moteur à cardan. Il présente ensuite des exemples de capteurs de position à effet Hall 3D linéaires et haute précision de Texas Instruments, ainsi que des cartes d'évaluation associées et des conseils de mise en œuvre pour accélérer le processus de développement.

Présentation des capteurs à effet Hall 3D

Les capteurs à effet Hall 3D peuvent collecter des informations sur le champ magnétique complet, ce qui permet d'utiliser des mesures de distance et d'angle pour déterminer la position dans les environnements 3D. Les deux placements les plus courants pour ces capteurs sont dans l'axe et coplanaires avec la polarisation magnétique (Figure 1). Avec un placement dans l'axe de polarisation, le champ fournit au capteur une entrée unidirectionnelle qui peut être utilisée pour déterminer la position. Le placement coplanaire produit un vecteur de champ qui est parallèle à la face de l'aimant, quelle que soit la distance par rapport au capteur, ce qui permet également de déterminer la position et l'angle.

Figure 1 : Les capteurs de position à effet Hall 3D peuvent être placés dans l'axe ou coplanaires au champ magnétique pour mesurer la distance et le mouvement angulaire. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les systèmes de l'Industrie 4.0 tels que les robots ont besoin d'une détection de mouvement multi-axe pour mesurer l'angle des bras robotiques, ou au niveau de chaque roue des robots mobiles pour prendre en charge la navigation et le mouvement précis dans une installation. Les capteurs à effet Hall 3D intégrés sont bien adaptés à ces tâches car ils ne sont pas sensibles à l'humidité ni à la saleté. Les mesures coplanaires fournissent des mesures de champ magnétique très précises des arbres en rotation (Figure 2).

Figure 2 : Les capteurs à effet Hall 3D intégrés peuvent mesurer la rotation de l'arbre dans les robots et dans d'autres applications de l'Industrie 4.0. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les enceintes sécurisées telles que les compteurs d'électricité et de gaz, les distributeurs automatiques de billets, les serveurs d'entreprise et les équipements de points de vente électroniques peuvent utiliser des mesures de champ dans l'axe pour détecter les intrusions (Figure 3). Lorsque le boîtier est ouvert, la densité de flux (B) détectée par le capteur à effet Hall 3D diminue jusqu'à tomber en dessous de la spécification du point de libération du flux (B_RP) du commutateur Hall, auquel moment le capteur envoie une alerte. Lorsque le boîtier est fermé, la densité de flux magnétique doit être suffisamment importante par rapport au point B_RP pour éviter les fausses alertes. La densité de flux d'un aimant ayant tendance à diminuer lorsque sa température augmente, l'utilisation d'un capteur à effet Hall 3D doté d'une capacité de compensation de température peut améliorer la fiabilité du système pour les enceintes utilisées en environnements industriels ou extérieurs.

Figure 3 : La détection d'intégrité d'un boîtier peut être mise en œuvre avec des capteurs à effet Hall 3D pour identifier les accès non autorisés. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les interfaces humaines et les contrôles dans les appareils électroménagers, les équipements de test et de mesure et les dispositifs électroniques personnels peuvent bénéficier de l'utilisation des trois axes de mouvement. Un capteur peut surveiller le mouvement dans les plans X et Y pour identifier la rotation d'un cadran et il peut identifier quand le cadran est enfoncé en surveillant un grand déplacement dans les axes magnétiques X et Y. La surveillance de l'axe Z permet au système d'identifier les désalignements et d'envoyer des alertes en cas d'usure ou de dommage, indiquant que le cadran peut nécessiter une maintenance préventive.

Les systèmes de moteur à cardan dans les stabilisateurs de caméras portables et les drones bénéficient de l'utilisation de capteurs à effet Hall 3D avec des plages de sensibilité de champ magnétique sélectionnables et d'autres paramètres programmables pour fournir des mesures d'angle à un microcontrôleur (Figure 4). Le microcontrôleur ajuste en permanence la position du moteur en fonction des besoins pour stabiliser la plateforme. Un capteur capable de mesurer avec exactitude et précision les angles dans des positions dans l'axe et hors axe offre une flexibilité de conception mécanique.

Figure 4 : Les moteurs à cardan dans les plateformes de caméras portables et les drones bénéficient de capteurs à effet Hall 3D avec des plages de sensibilité de champ magnétique sélectionnables. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les mesures hors plan entraînent souvent des intensités de champ magnétique (gains) différentes et des décalages différents selon les axes, ce qui peut entraîner des erreurs de calcul d'angle. L'utilisation d'un capteur Hall 3D avec corrections de gain et de décalage permet une grande flexibilité dans le placement du capteur par rapport à l'aimant, garantissant ainsi les calculs d'angle les plus précis.

Capteurs à effet Hall 3D flexibles

Texas Instruments propose aux concepteurs une sélection de capteurs à effet Hall linéaires à trois axes, notamment la gamme TMAG5170 de capteurs à effet Hall linéaires 3D haute précision avec une interface périphérique série (SPI) de 10 mégahertz (MHz) et un contrôle par redondance cyclique (CRC), et la gamme TMAG5273 de capteurs à effet Hall 3D linéaires basse consommation avec interface I²C et CRC.

Les dispositifs TMAG5170 sont optimisés pour la détection rapide et précise de la position et incluent : une erreur totale de mesure linéaire de ±2,6 % (maximum à 25°C), une dérive de température de la sensibilité de ±2,8 % (maximum) et un taux de conversion de 20 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s) pour un seul axe. Les dispositifs TMAG5273 présentent des modes basse consommation, notamment : 2,3 milliampères (mA) de courant en mode actif, 1 microampère (µA) de courant en mode d'activation et veille, et 5 nanoampères (nA) de courant en mode veille. Ces circuits intégrés comprennent quatre blocs fonctionnels primaires (Figure 5) :

• Le bloc de gestion de l'alimentation et d'oscillateur inclut la détection de sous-tension et de surtension, la polarisation et les oscillateurs.
• Les capteurs Hall et la polarisation associée avec les multiplexeurs, les filtres antiparasites, la détection de température, le circuit intégrateur et un convertisseur analogique-numérique (CAN) constituent le bloc de détection et de mesure de la température.
• Le circuit de contrôle de communication, la protection contre les décharges électrostatiques (DES), les fonctions entrée/sortie (E/S) et le contrôle CRC sont inclus dans le bloc d'interface.
• Le noyau numérique contient des circuits de diagnostic pour les contrôles de diagnostic obligatoires et activés par l'utilisateur, d'autres fonctions de gestion interne et un moteur de calcul d'angle intégré qui fournit des informations sur la position angulaire à 360° pour les mesures d'angle dans l'axe et hors axe.

Figure 5 : À l'exception d'une interface SPI (illustrée ci-dessus) sur les modèles TMAG5170 et d'une interface I²C sur les modèles TMAG5273, les blocs fonctionnels internes sont les mêmes pour les deux gammes de circuits intégrés de capteurs à effet Hall 3D. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les dispositifs TMAG5170 sont fournis en boîtier VSSOP à 8 broches mesurant 3,00 millimètres (mm) x 3,00 mm, et ils sont spécifiés sur une plage de températures ambiantes de -40°C à +150°C. Le TMAG5170A1 présente des plages de sensibilité de ±25 millitesla (mT), ±50 mT et ±100 mT, tandis que le TMAG5170A2 prend en charge ±75 mT, ±150 mT et ±300 mT.

La gamme TMAG5273 basse consommation utilise des boîtiers DBV à 6 broches mesurant 2,90 mm x 1,60 mm, et elle est spécifiée sur une plage de températures ambiantes de -40°C à +125°C. Elle est également proposée en deux modèles différents : le TMAG5273A1 avec des plages de sensibilité de ±40 mT et ±80 mT, et le TMAG5273A2 qui prend en charge ±133 mT et ±266 mT.

Deux axes magnétiques sélectionnés par l'utilisateur sont utilisés pour les calculs d'angles. L'impact des sources d'erreurs mécaniques du système est minimisé par des corrections de gain et de décalage magnétiques. La fonction de compensation de température embarquée peut être utilisée pour compenser indépendamment les changements de température dans l'aimant ou le capteur. Ces capteurs à effet Hall 3D peuvent être configurés via l'interface de communications pour permettre des combinaisons d'axes magnétiques et de mesures de température contrôlées par l'utilisateur. La broche ALERT sur le TMAG5170 ou la broche INT sur le TMAG5273 peut être utilisée par un microcontrôleur pour déclencher une nouvelle conversion de capteur.

Cartes d'évaluation pour aider à démarrer

Texas Instruments propose également deux cartes d'évaluation, une pour la série TMAG5170 et une pour la série TMAG5273, pour permettre des évaluations fonctionnelles de base (Figure 6). Le TMAG5170EVM inclut à la fois les modèles TMAG5170A1 et TMAG5170A2 sur une carte à circuit imprimé détachable. Le TMAG5273EVM inclut les modèles TMAG5273A1 et TMAG5273A2 sur une carte à circuit imprimé détachable. Ils contiennent une carte de contrôle de capteur interagissant avec l'interface utilisateur graphique (GUI) pour visualiser et enregistrer les mesures et lire et écrire les registres. Le module à tourner et pousser imprimé en 3D est utilisé pour tester les fonctions courantes de mesure angulaire.

Figure 6 : Les dispositifs TMAG5170EVM et le TMAG5273EVM comprennent tous les deux une carte détachable avec deux circuits intégrés de capteurs à effet Hall 3D différents (en bas à droite), une carte de contrôle de capteur (en bas à gauche), un module à tourner et pousser imprimé en 3D (au centre), et un câble USB pour l'alimentation. (Source de l'image : Texas Instruments)

Figure 7 : Illustration du module à tourner et pousser imprimé en 3D, monté sur le module d'évaluation. (Source de l'image : Texas Instruments)

Utilisation des capteurs Hall 3D

Les concepteurs doivent tenir compte de quelques considérations d'implémentation lorsqu'ils utilisent ces capteurs de position à effet Hall 3D :

• La lecture SPI du registre de résultat dans le TMAG5170, ou la lecture I²C dans le TMAG5273, doit être synchronisée avec le temps de mise à jour de conversion pour s'assurer que les données correctes sont lues. Le signal ALERT sur le TMAG5170, ou le signal INT sur le TMAG5273, peut être utilisé pour notifier au contrôleur qu'une conversion est terminée et que les données sont prêtes.
• Un condensateur de découplage à faible inductance doit être placé à proximité de la broche de capteur. Un condensateur en céramique d'une valeur d'au moins 0,01 microfarad (μF) est recommandé.
• Ces capteurs à effet Hall peuvent être intégrés dans des enceintes en matériaux non ferreux tels que le plastique ou l'aluminium, avec les aimants de détection à l'extérieur. Les capteurs et les aimants peuvent également être placés sur les côtés opposés d'un circuit imprimé.

Conclusion

Avec la généralisation du contrôle et du mouvement 3D, les concepteurs doivent obtenir des mesures précises en temps réel, tout en maintenant les coûts au minimum grâce à une conception simplifiée et en minimisant la consommation d'énergie. Comme illustré, les capteurs à effet Hall 3D intégrés TMAG5170 et TMAG5273 répondent à ces défis, en offrant la flexibilité entre fréquences d'échantillonnage rapides et faible latence pour un contrôle en temps réel précis, et fréquences d'échantillonnage lentes pour minimiser la consommation d'énergie dans les dispositifs alimentés par batterie. Les algorithmes de correction de gain et de décalage intégrés, associés à la correction de température indépendante pour l'aimant et le capteur, garantissent une grande précision.

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