实时精准的位置控制需求推动3D霍尔效应传感器发展

电子发烧友网报道（文/程文智）随着先进制造的呼声越来越高，高度自动化系统的需求在急剧增长。而自动化设备离不开电机的助力，这几年来，效率更高的BLDC电机的应用范围越来越广。BLDC电机的无传感器控制解决方案在不断改进后，越来越多的电机控制方案开始趋向于采用无传感器方案。

BLDC的无传感器方案的流行，让做霍尔效应传感器的企业感到了一丝危机。曾经有霍尔效应传感器企业的销售跟小编交流时，不无担心地表示，未来要是都不用霍尔效应传感器了，那他们企业未来还有发展前景吗。

作为销售，他这个担心无可厚非，毕竟需求减少了就意味着业绩增长更加困难了。其实，在一些特定的控制场景中，还是需要传感器的，特别是位置测量传感器，比如3D霍尔效应传感器就比较受欢迎，因为它能够测量真实的位置。一个明显的用例是，在驱动机器人各个关节的电机进行换相时，需要对机器人手臂伸展的距离或方向、当前定位的角度进行测量，此时3D霍尔效应传感器就排上用场了。

3D霍尔效应传感器与传统霍尔效应传感器的差别

3D意味着传感器元件可以测量X，Y和Z轴的磁场。与通常只能测量单一维度磁场的传统1D传感器相比，3D传感器使设备能够测量以任何方向放置在印制电路板（PCB）上的磁体，甚至可以测量多个维度并进行磁通角或振幅的片上计算。

功能更多，性能更好了，是不是就意味着成本提高了很多呢？他们的成本差异主要体现在哪些方面呢？德州仪器（TI）位置传感器产品线市场和应用总经理Steven Loveless指出，传统的线性霍尔效应传感器和3D霍尔效应传感器之间的成本差异取决于二者核心性能的差异。他同时指出，通常情况下，使用3D器件的成本会低于使用两个1D器件的成本，但事实是很多应用（例如角度传感）就需要使用两个，甚至多个1D霍尔效应传感器。

当然，他也介绍了TI近期推出的3D霍尔效应传感器产品TMAG5170。在他看来，TI使用其独有的精密模拟处理技术和享有知识产权的电路技术以极低的附加成本集成了3D精密传感元件。且由于TMAG5170集成了更多的功能，例如角度计算引擎和误差校正单元，降低了传感器外部组件的成本，从而可以帮助客户降低整体解决方案的成本。

TMAG5170的重要特性

据Steven Loveless介绍，TMAG5170最重要的成就是将3D传感器行业领先的精度和极低的误差漂移与精密霍尔效应传感器的最高吞吐量相结合。该传感器在瞬时和过温状态下都具有出色的精度，并且无需考虑交叉轴灵敏度。具体来说，该传感器可在室温下提供低至2.6%的满量程总误差。它还具有低至3%的总误差漂移（比同类竞品至少低30%），并且在横轴场存在的情况下，误差比同类器件至少低35%。

图1：TMAG5170内部框图（来源：TI官网）

这些特性使TMAG5170能够提供比任何其他3D霍尔效应位置传感器更高的精度，无需终端校准和片外误差补偿，可简化系统设计和制造。

测量精度和速度是固定的衡量标准，为了实现更快、更准确的实时控制，该传感器支持高达20 kSPS的测量，可实现高速机械运动的低延迟吞吐量。而且该传感器还具有其他优势，如利用其内置的低功耗模式，当用户无需使用最高速度时，它是市面上功耗最低的精密传感器。

他特意指出，TMAG5170还有一个主要优势就是安装的简易性和磁场测量的灵活性。该设备可以配置为测量轴（X，Y或Z）的任意组合，因此该设备可以相对于它所测量的磁体以任何方向放置。还有一些灵敏度范围在50mT到300mT的最大可测量磁场存在，因此该传感器可以与大量不同的或距离更远的磁体一起使用。

此外，甚至还有集成的温度补偿选项以及片上温度传感器，所以可以使用多种磁性材料而不降低其性能。该设备的设计便于安装和使用，因此客户可以选择适合其系统的传感器，而不是去设计适合传感器的系统。

3D霍尔效应传感器的主要应用场景

说到3D霍尔效应传感器的应用场景，Steven Loveless认为，通常情况下，任何利用位置或运动反馈来提供实时控制的系统都可能受益于精密的3D霍尔效应传感器。从精密阀门到执行器控制、自主移动机器人到线性电机系统，任何自动化或机器人系统都可能使用3D传感器进行线性或角度测量。

图 2：采用TMAG5170线性3D霍尔效应位置传感器的自主移动机器人轮子电机模块方框图（来源：TI）

为何推出3D霍尔效应传感器的厂家不多？

其实，目前市面上可以提供3D霍尔效应的传感器厂家并不多，这是什么原因造成的呢？在Steven Loveless看来，主要还是技术挑战性比较大。他指出，测量3D磁场是一个非常具有挑战性的技术问题，因为用于X和Y方向的霍尔传感器元件在标准半导体工艺中制造工艺复杂。

另外，如何协调三个不同的轴也同样是一个富有挑战的技术问题，“也是利用我们的内部制造工艺技术超越竞争对手进行创新的关键领域。”他表示。

但是，目前市场上的新应用越来越需要具备多轴传感器功能，未来需要3D霍尔效应传感器的应用场景将越来越多，未来的需求将会更多，希望能有更多的公司突破技术瓶颈，推出更有竞争力的产品。