2.2 磁传感器：锁存器和开关 - 操作和释放点

[音乐播放] 大家好，欢迎观看此 TI 高精度实验室 系列关于磁位置传感的另一个视频。 我叫 Manny Soltero。 霍尔效应开关和锁存器可实现 简单、紧凑、可靠且具有成本效益的 非接触式运动传感解决方案。 这些器件在各种机电系统中 正迅速得到普及， 用于检测物理量的变化， 如距离、角度、压力、液位、 流速等。 在本视频中，我们将介绍一些用于说明 霍尔效应开关和锁存器之间的 相似点和不同点的基本特性，以及用于简化 其与典型应用进行集成的设计流程。 我们首先了解一下基本概念。 霍尔效应开关和锁存器 是一类霍尔效应磁传感器， 它将通常称为B 场的磁通密度信号 转换为 1 位数字输出。 这些器件通常与永磁体一起使用， 以实现非接触式运动传感应用。 霍尔效应开关和锁存器具有方向性， 并沿其灵敏度轴感应 B 场 分量。 尽管某些专用器件可能具有 多达三个灵敏度轴。 但大多数器件具有一个轴灵敏度。 霍尔效应开关和锁存器感应 所应用的 B 场的不同属性。 开关感应振幅，而锁存感应极性。 当磁通线位于 灵敏度轴方向时， 极性被称为正。 否则，极性被称为负。 从行为的角度来看，霍尔效应开关和 锁存器本质上是具有迟滞功能的 磁比较器。 上开关阈值 BOP 称为操作点。 下开关阈值 BRP 称为释放点。 阈值之间的绝对差值 是比较器的迟滞。 迟滞表示输入必须在相对于 阈值的相反方向上改变 以使输出状态改变的量。 开关和锁存器对入射磁场 有类似的响应。 输入幅度超过 BOP 时 输出电压低，输入幅度小于 BRP 时 输出电压高。 开关和锁存器之间的行为差异 是由于其磁阈值的极性所造成。 开关具有相同极性的 BOP 和 BRP， 即使极性保持不变，也能检测 B 场 振幅的变化。 另一方面，锁存器的 BOP 和 BRP 极性相反，只要 B 场振幅足够大， 就能检测 B 场 极性的变化。 现在我们来看看典型的应用。 霍尔效应开关主要用于 接近感应，因为它们对 B 场 振幅很敏感。 在典型情况下，永磁体沿传感器的 灵敏度轴 向任一方向移动。 该设计要求选择一个传感器和磁体， 以便当磁体处于距传感器的 指定距离 d1 和 d2 时， 传感器输出切换。 传感器的选择由简单的一阶分析驱动， 该分析主要基于以下观察： 传感器位置处的 B 场振幅近似地随 与磁体距离的平方反比而变化。 分析生成方程式 2， 建立传感器选择标准。 下面一个示例，说明了传感器选择标准 在 DRV5032 系列 霍尔效应开关中的应用。 假设开关距离 d1 等于 2 毫米且 d2 等于 6 毫米， 则 BOP 最大值除以 BRP 最小值 小于 9 的传感器很可能是合适的。 计算所有现有DRV5032 型号的 开关阈值之比，可以看出只有 DRV5032DU、AJ 和 ZE 版本符合传感器选择标准。 这意味着可以选择一个磁体， 使这些器件的输出 在所需的开关距离上切换。 完成传感器选择后，现在必须选择 合适的磁体。 磁体选择需要一些迭代。 我们的在线磁场计算器 极大地简化了选择过程。 计算器将磁体几何结构和材料 类型作为输入，并计算出 距离磁体南北轴不同距离处的 B 场振幅， 以毫特斯拉为单位。 假设为该应用选择了 DRV5032AJ， 我们调整磁体性能，直到 2 毫米处的 B 场振幅大于9.5 毫特斯拉的 BOP 最大值， 6 毫米处的 B 场振幅 小于 3 毫特斯拉的BRP 最小值。 显然，直径约为 1.7 毫米、 厚度约为 1.7 毫米的圆柱形铁氧体 磁体可满足DRV5032DU 和 AJ 版本 所需的开关距离。 霍尔效应锁存传感器主要用于 编码旋转和其他类型的周期性运动。 增量旋转编码用于解析 旋转轴角度的变化。 固定在旋转轴上的磁体 将角度信息转换成旋转磁场， 旋转时磁场会改变极性和大小。 放置在旋转磁体附近的锁存传感器 将磁场极性变化转换为脉冲串。 因此，可以通过计算脉冲串中的边缘数 来估计角度的变化。 通过增加每 360 度周期的 极性变化次数可以改善分辨率。 这是通过增加磁极的数量来实现的。 增加传感器的数量也可以提高分辨率。 使用两个或更多的传感器可为 解析旋转方向 带来额外好处。 只要传感器位置的磁通密度幅度 超过传感器的BOP 最大规格， 磁体与传感器的接近程度便不再如此重要。 公式 3a、3b 和 4 可用于选择重要的设计参数。 现在我们来看一个例子， 其中设计要求目标角分辨率为 5 度， 最大角速度为 10000 RPM。 目标是选择极数、锁存传感器 数量和所需的 传感器采样率。 应用方程式 3a表明，至少需要 72 次转换 才能达到 5 度最小角度 分辨率。 如果我们使用两个传感器来支持轴方向， 那么磁体必须至少有 36 个磁极， 或者 18 个极对。 但是，如果只有20 极磁体可用， 则必须增加传感器的数量 以实现目标分辨率。 求解 M 的公式 3a 表明， 使用 20 极磁体需要最少 四个锁存传感器。 所需的采样率可直接从 方程式 4 中计算得出，并且许多器件 都满足这一要求，其中包括 DRV5011、DRV1513 和 DRV5015。 如需查找更多磁位置传感技术资源 和搜索产品，请访问