Zwykle w procesie używania joysticka istnieją dwa sposoby uzyskania analogowego sygnału wyjściowego: forma czujnika Halla i typ potencjometru.
1, Ten artykuł ma na celu wyjaśnienie podstawowej zasady implementacji czujnika Halla, różnic, zalet i wad między 2D Hall a 3D Hall.
Definicja efektu Halla:
Efekt Halla został odkryty przez fizyka Halla w 1879 roku. Określa on związek między polem magnetycznym a indukowanym napięciem. Efekt ten jest zupełnie inny niż tradycyjna indukcja elektromagnetyczna.
——Obraz z Internetu
Jak pokazano powyżej, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik znajdujący się w polu magnetycznym (powierzchnia zacieniona), pole magnetyczne wywiera siłę na elektrony w przewodniku prostopadłą do kierunku ruchu elektronów, powodując różnicę potencjałów w obu kierunkach prostopadle do przewodnika i linii indukcyjności magnetycznej.
Gdy do półprzewodnika przyłoży się pole magnetyczne prostopadłe do kierunku prądu, elektrony i dziury w półprzewodniku będą przyciągane siłą Lorentza w różnych kierunkach i agregowane w różnych kierunkach. Pomiędzy zgromadzonymi elektronami i dziurami powstanie pole elektryczne. Po zrównoważeniu siły pola elektrycznego i siły Lorentza nie będą już się agregować. W tym przypadku pole elektryczne podda kolejne elektrony i dziury działaniu siły pola elektrycznego i zrównoważy siłę Lorentza generowaną przez pole magnetyczne, tak aby kolejne elektrony i dziury mogły przejść płynnie bez odchyleń, co jest efektem Halla . Różnica napięcia między dwiema stronami nazywana jest napięciem Halla.
Schemat
Elektron tworzy różnicę potencjałów w polu magnetycznym, co skutkuje siłą Lorentza
Siła Lorentza F=qE plus qvB/c
Więc pole Halla
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Zastosowanie efektu Halla:
Chociaż efekt Halla został odkryty wcześniej, został on ograniczony przez rozwój magnesów stałych i elementów elektronicznych. Czujniki Halla pojawiły się po raz pierwszy około lat 70.
Podstawowy czujnik Halla zaprojektowano jako wysoce niezawodny układ scalony z układem Halla, umieszczając układ scalony z krzemowego materiału monokrystalicznego w hermetycznej strukturze opakowania.
Jednak ze względu na problemy z projektowaniem obwodów, układ Halla użyty po raz pierwszy będzie generował duże zmiany napięcia z powodu dryftu temperatury, co nie może być zastosowane w rzeczywistym środowisku przemysłowym.
Później, aż do około lat 90., niektóre firmy, takie jak MLX, stosowały obwody kompensacji temperatury, aby zrównoważyć wpływ parametrów związanych z temperaturą we wzorze obliczania pola magnetycznego, tak aby pole magnetyczne nie zmieniało się wraz z temperaturą. Ponadto układ Halla realizuje programowalną pracę, która nie wymaga dostosowywania wyjścia analogowego ustawionego przez układ Halla do wymagań użytkowania i znacznie rozszerza scenariusz użytkowania i zakres układu Halla.
Układ Halla zaczął być szeroko stosowany w środowisku przemysłowym i samochodowym, używany do oceny parametrów przemieszczenia i kąta obrotu oraz przekształcania ich w wyjście analogowe.
Po firmie MLX wielu producentów układów scalonych w kraju i za granicą przyłączyło się do rozwoju układu Hall. Stosowany obecnie konwencjonalny układ Halla składa się zwykle z wielu układów Halla nałożonych na siebie w celu oceny nadmiarowości, co znacznie poprawia rozdzielczość i dokładność wyjścia analogowego.
Wykorzystanie przedpokoju w uchwycie:
Wczesne uchwyty przemysłowe osiągały wyjście analogowe dzięki obrotowej strukturze uchwytu, która popychała pocisk, aby napędzać zawór hydrauliczny. Wystąpią braki w inteligentnym sterowaniu i projektowaniu logicznym, a urządzenie hydrauliczne nieuchronnie będzie miało zjawisko wycieku oleju, którego nie można używać w miejscu o wysokich wymaganiach dotyczących poziomu zanieczyszczenia lub w miejscu wymagającym czystego środowiska.
Hydrauliczne użycie formy pocisku
——Obraz z Internetu
Hall został po raz pierwszy zastosowany w joystickach przez niemieckiego producenta Danfoss. Jej głównymi produktami są JS1, JS1000 i tak dalej.
Producenci chipów Halla są powszechnie używani w uchwycie, w tym MLX, TI, McGahn i tak dalej.
Istnieją różnice między halą płaszczyzny 2D a halą 3D w zależności od różnych metod użytkowania.
Różnica między salą 2D a salą 3D:
Zwykle użycie Halla w uchwycie jest podzielone na obrotowe i przemieszczenie i huśtawkę. Typ obrotowy to 2D Hall, a typ przemieszczenia i wahania to 3D Hall.
* Zwróć uwagę na użycie stali magnetycznej:
Niezależnie od formy Sali, istnieją dwa krytyczne wymagania kontrolne, aby osiągnąć stabilność pracy Sali.
Pierwszym z nich jest odległość między stalą magnetyczną a środkiem Halla, która różni się w zależności od różnych modeli chipów Halla. Zwykle wynosi około 1 ~ 5 mm.
Drugi to wielkość namagnesowania stali magnetycznej, zgodnie z modelem chipa Halla, jest różna, zwykle w dziesiątkach mT do setek mT.
Jeśli którykolwiek z dwóch parametrów jest poza zakresem lub odchylenie jest duże, spowoduje to niestabilność chipa Halla, co spowoduje mutację wyjścia lub odchylenie wyjścia.
Ponadto na ogół stal magnetyczna nie spowoduje odchylenia mocy wyjściowej z powodu rozmagnesowania podczas jej długotrwałego użytkowania, a jej kluczowym parametrem jest koercja stali magnetycznej. Koercja odnosi się do intensywności indukcji magnetycznej B, która nie powraca do zera, gdy zewnętrzne pole magnetyczne powraca do zera po namagnesowaniu nasycenia materiałów magnetycznych. Tylko poprzez dodanie pola magnetycznego o określonej wielkości w kierunku przeciwnym do pierwotnego pola namagnesowania, intensywność indukcji magnetycznej może powrócić do zera, co nazywa się koercyjnym polem magnetycznym lub siłą koercji.
Ogólnie rzecz biorąc, koercja stali magnetycznej wymaga Hcb większego lub równego 850KA/m; Koercja własna Hcj Większa lub równa 955KA/m. Głównym czynnikiem wpływającym jest materiał stali magnetycznej. Ogólnie rzecz biorąc, koercja materiału ferrytowego jest niewielka, co prowadzi do rozmagnesowania stali magnetycznej przez długi czas. A koercja materiału NdFeb jest większa, zwykle nie długotrwała wysoka temperatura (powyżej 60 ~ 80 stopni) w warunkach użytkowania, użycie około pięciu do dziesięciu lat jest więcej niż wystarczające.
Stal magnetyczna używana do uchwytu to zwykle stal magnetyczna Ndfeb N35.
Inne kontrolowane elementy stali magnetycznej to remanencja Br i iloczyn maksymalnej energii magnetycznej BH(max).
1. Typ obrotowy:
Rotary Hall jest zwykle ustawiony w środku osi obrotu, a kierunek magnesowania jest promieniowy. Gdy wałek uchwytu jest obracany, napięcie Halla jest generowane w wyniku zmiany strumienia magnetycznego przechodzącego przez czujnik Halla.
Zaletami tej metody stosowania są:
1. Dobra symetria napięcia;
2. Niska trudność realizacji;
3. W przypadku rękojeści dwuwałowej ingerencja w oś XY jest niewielka;
4. Uchwyt jednoosiowy zajmuje mniej miejsca.
5. Niska trudność magnesowania.
6. Kąt obrotu może być duży (mniej niż 360 stopni)
Wady to:
1. Kiedy realizowany jest uchwyt dwuosiowy, musi zajmować stosunkowo dużą przestrzeń;
2. Musi być używany w środku obrotu.
Rodzaj rotacji
1. Formuła przemieszczenia:
Zwykle użycie przemieszczenia jest również użyciem hali 3D, takiej jak pierwsza flaga układu MT1531. Zazwyczaj kierunek magnesowania jest promieniowy. W ten sposób stal pola magnetycznego powinna mieć strumień magnetyczny 0}mT w punkcie środkowym, który jest maksymalny po obu stronach. Gdy stal magnetyczna jest namagnesowana w ten sposób, konieczne jest określenie wymagań dotyczących jednorodności namagnesowania po obu stronach stali magnetycznej taśmowej lub zakrzywionej stali magnetycznej. Jeśli rozmiar magnetyczny jest inny, rozkład strumienia magnetycznego będzie nierówny, co spowoduje liniowe odchylenie mocy wyjściowej po obu stronach, gdy uchwyt jest potrząsany.
Zalety:
1. Struktura jest prosta, a cena hali wypornościowej niska;
2. Faza strukturalna stali magnetycznej, którą trudno umieścić w środku obrotu, jest lepsza;
3. Elastyczna struktura, może wykonywać więcej odmian struktury.
Niedogodności:
1. Stal magnetyczna wymaga namagnesowania symetrii;
2. Ogólnie rzecz biorąc, bardzo trudno jest zrealizować liniową symetrię wzoru na przemieszczenie;
3. Kąt obrotu nie powinien być zbyt duży; (zwykle nie przekracza 40 stopni)
—— Obraz ze specyfikacji MLX90333
1. Rodzaj huśtawki:
Sala Oscylacyjna to popularna realizacja sali dwuosiowej. Realizuje dwuosiowe lub nawet wieloosiowe wyjście jednego chipa poprzez nałożenie wielu chipów Halla na czujnik Halla.
Zwykle kierunek namagnesowania stali magnetycznej jest namagnesowaniem osiowym, a namagnesowanie osiowe okrągłej stali magnetycznej znacznie zmniejszy trudność namagnesowania.
—— Obraz ze specyfikacji MLX90333
W przypadku czujników Halla, chociaż pojedynczy układ 3D jest droższy niż układ 2D, koszt wdrożenia wyjścia dwuosiowego jest stosunkowo niższy niż przy użyciu dwóch układów 2D.
Zalety:
1. Stal magnetyczna ma niewielkie trudności z magnesowaniem. Niska trudność montażu;
2. Dwuosiowy koszt realizacji jest niski;
3. Pozioma przestrzeń uchwytu jest mniej zajęta;
Niedogodności:
1. Wymagania dotyczące przesunięcia łaty Halla są stosunkowo wysokie, a wymagania dotyczące przesunięcia SMT na ogół nie przekraczają 1/2 stopy spawalniczej; W przeciwnym razie wystąpi duża interferencja dwuosiowa (to znaczy, gdy naciskasz jedną oś, druga oś ma fluktuacje wyjściowe, 3D Hall nie może uniknąć interferencji dwuosiowej, ale ogólnie w zakresie odchylenia wyjściowego jest uważany za kwalifikowany)
2. Koszt uzyskania mocy wyjściowej jednoosiowej będzie wyższy;
3. Kąt obrotu jest mniejszy niż typ przemieszczenia (zazwyczaj nie więcej niż 30 stopni);
Uchwyt HJ8 firmy Shanghai Chen Gong Electric Control wykorzystuje halę 3D MLX90333.
II. Czynniki wpływające na odchylenie wyjścia Halla:
Ogólnie rzecz biorąc, czynniki wpływające na napięcie wyjściowe Halla to głównie następujące przyczyny. Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ chip rzadko się psuje, przyczyny odchyleń napięcia wyjściowego są analizowane głównie na podstawie zmian strumienia magnetycznego:
1. Zmiany strumienia magnetycznego wywołane przez stal magnetyczną:
Stal magnetyczna zmieni strumień magnetyczny, a tym samym napięcie wyjściowe z różnych powodów, takich jak:
A. Słaba ochrona prowadzi do adsorpcji proszku żelaza na stali magnetycznej, co powoduje zmianę strumienia magnetycznego.
B. Niewłaściwe mocowanie stali magnetycznej prowadzi do poluzowania stali magnetycznej;
C. Ukryte pęknięcia występują, gdy stal magnetyczna jest nitowana lub mocowana, co może prowadzić do pęknięć i zmian strumienia magnetycznego po wysokiej i niskiej temperaturze.
Sposoby unikania:
Czynniki te należy przeanalizować, a następnie zastosować środki ulepszeń w ramach FEMA projektu i procesu.
2. Zmiany strumienia magnetycznego wywołane przyczynami zewnętrznymi:
Ogólnie rzecz biorąc, strumień magnetyczny przechodzący przez chip Halla zmienia się z powodu fluktuacji obwodu spowodowanych zewnętrznym polem magnetycznym lub uderzeniem napięcia, wpływając w ten sposób na moc wyjściową.
Sposoby unikania:
Przeprowadzono test EMC i zastosowano ekranowanie w celu zwiększenia ekranowania układu Halla.
3. Odchylenie wyjściowe spowodowane strukturą mechaniczną:
Po długotrwałym użytkowaniu zwiększenie luzu mechanicznego prowadzi do zwiększenia odchyłki wyjściowej.
Sposoby unikania:
Zoptymalizuj projekt konstrukcyjny.
4. Zewnętrzne napięcie wejściowe nieregulowane zasilanie:
Ogólnie rzecz biorąc, nominalne napięcie wejściowe Halla producenta uchwytu Halla wynosi 5,0Vdc±{2}},5 V, ale w praktyce napięcie to odnosi się do napięcia zasilającego czujnik Halla. Jeśli wartość napięcia wyjściowego kalibracji wynosi 0,5~2,5V~4,5V, wprowadź napięcie 5,5V, wtedy mediana napięcia wyjściowego wyniesie 2,75V, poza zakresem mediany wymagań. Dlatego klienci są generalnie proszeni o korzystanie z regulowanego źródła zasilania. Odchylenie zasilania wynosi na ogół ±0,2 V przy warunkach w najlepszym zakresie ±0,1 V.