Obvykle v procesu použití joysticku existují dva způsoby, jak dosáhnout analogového výstupního signálu: forma Hallova snímače a typ potenciometru.
1, Tento článek si klade za cíl objasnit základní princip implementace Hallova senzoru, rozdíly, výhody a nevýhody mezi 2D Hall a 3D Hall.
Definice Hallova jevu:
Hallův jev objevil fyzik Hall v roce 1879. Definuje vztah mezi magnetickým polem a indukovaným napětím. Tento efekt je zcela odlišný od tradiční elektromagnetické indukce.
——Obrázek z internetu
Jak je ukázáno výše, když elektrický proud prochází vodičem umístěným v magnetickém poli (stínovaný povrch), magnetické pole působí silou na elektrony ve vodiči kolmou ke směru pohybu elektronů, což má za následek rozdíl potenciálů. v obou směrech kolmo k vodiči a vedení magnetické indukčnosti.
Když je na polovodič aplikováno magnetické pole kolmé na směr proudu, elektrony a díry v polovodiči budou přitahovány Lorentzovou silou v různých směrech a agregovány v různých směrech. Mezi shromážděnými elektrony a dírami bude generováno elektrické pole. Po vyrovnání síly elektrického pole a Lorentzovy síly se již nebudou agregovat. V tomto případě elektrické pole vystaví následné elektrony a díry sile elektrického pole a vyrovná Lorentzovu sílu generovanou magnetickým polem, takže následné elektrony a díry mohou procházet hladce bez odchylky, což je Hallův jev. . Rozdíl napětí mezi oběma stranami se nazývá Hallovo napětí.
Schematický diagram
Elektron vytváří potenciální rozdíl v magnetickém poli, což má za následek Lorentzovu sílu
Lorentzova síla F=qE plus qvB/c
Tedy pole Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Aplikace Hallova jevu:
Ačkoli Hallův jev byl objeven dříve, byl omezen vývojem konstantních magnetů a elektronických součástek. Hallovy senzory se poprvé objevily kolem 70. let 20. století.
Základní Hallův senzor je navržen jako vysoce spolehlivý integrovaný obvod Hallova čipu zabalením obvodového čipu z křemíkového monokrystalového materiálu do vzduchotěsné obalové struktury.
Kvůli problémům s návrhem obvodu však Hallův čip použitý poprvé způsobí velké změny napětí v důsledku teplotního driftu, což nelze použít ve skutečném průmyslovém prostředí.
Později, až kolem devadesátých let, některé společnosti, jako je MLX, používaly obvody pro kompenzaci teploty k vyrovnání vlivu parametrů souvisejících s teplotou ve vzorci pro výpočet magnetického pole, takže magnetické pole se nemění s teplotou. Hallův čip navíc realizoval programovatelný provoz, který nepotřebuje přizpůsobovat analogový výstup nastavený Hallovým čipem požadavkům použití a značně rozšiřuje scénář použití a rozsah Hallova čipu.
Hallův čip se začal široce používat v průmyslovém a automobilovém prostředí, používal se k posouzení parametrů posunutí a úhlu rotace a jejich převodu na analogový výstup.
Po společnosti MLX se do vývoje Hallova čipu zapojilo mnoho výrobců IC doma i v zahraničí. Konvenční Hallův čip, který se nyní používá, je obvykle vyroben z několika Hallových čipů překrývajících se pro posouzení redundance, což výrazně zlepšuje rozlišení a přesnost analogového výstupu.
Použití Halla v rukojeti:
Rané průmyslové rukojeti dosahovaly analogového výstupu prostřednictvím rotující struktury rukojeti, která tlačila kulku k pohonu hydraulického ventilu. Budou existovat nedostatky v inteligentním řízení a logickém návrhu a hydraulické zařízení bude mít nevyhnutelně fenomén úniku oleje, který nelze použít na scéně s vysokými požadavky na úroveň znečištění nebo na scéně vyžadující čisté prostředí.
Hydraulické použití formy střely
——Obrázek z internetu
Hall poprvé použil v joysticky německý výrobce Danfoss. Jeho hlavní produkty jsou JS1, JS1000 a tak dále.
V rukojeti se běžně používají výrobci Hallových čipů, včetně MLX, TI, McGahn a tak dále.
Mezi 2D rovinnou halou a 3D halou jsou rozdíly podle různých způsobů použití.
Rozdíl mezi 2D Hall a 3D Hall:
Normálně se použití Hall v rukojeti dělí na rotační a posuvné a výkyvné. Rotační typ je 2D Hall a typ posunu a výkyvu je 3D Hall.
* Všimněte si použití magnetické oceli:
Bez ohledu na formu Hall existují dva kritické požadavky na ovládání pro dosažení stability Hallova díla.
První je vzdálenost mezi magnetickou ocelí a Hallovým středem, která se liší podle různých modelů Hallových čipů. Obvykle je to asi 1 ~ 5 mm.
Druhým je velikost magnetizace magnetické oceli, podle modelu Hallova čipu je různá, obecně v desítkách mT až stovkách mT.
Pokud je některý z těchto dvou parametrů mimo rozsah nebo je odchylka velká, způsobí to nestabilitu Hallova čipu, což má za následek výstupní mutaci nebo odchylku výstupu.
Navíc obecně magnetická ocel nezpůsobí při dlouhodobém používání výstupní odchylku v důsledku demagnetizace a jejím klíčovým parametrem je koercivita magnetické oceli. Koercivita se týká intenzity magnetické indukce B, která se nevrátí na nulu, když se vnější magnetické pole vrátí na nulu po saturační magnetizaci magnetických materiálů. Teprve přidáním magnetického pole o určité velikosti v opačném směru, než je původní magnetizační pole, se může intenzita magnetické indukce vrátit k nule, což se nazývá koercitivní magnetické pole nebo koercitivní síla.
Obecně koercivita magnetické oceli vyžaduje Hcb větší nebo rovnou 850 KA/m; Vnitřní koercivita Hcj Větší nebo rovna 955KA/m. Hlavním ovlivňujícím faktorem je materiál magnetické oceli. Obecně je koercivita feritového materiálu malá, což povede k demagnetizaci magnetické oceli na dlouhou dobu. A koercivita materiálu NdFeb je větší, obvykle dlouhodobá vysoká teplota (nad 60~80 stupňů) za podmínek použití, použití asi pět až deset let je více než dostatečné.
Magnetická ocel použitá pro rukojeť je obvykle magnetická ocel N35 Ndfeb.
Dalšími řízenými prvky magnetické oceli jsou remanence Br a součin maximální magnetické energie BH(max).
1. Rotační typ:
Rotary Hall je obvykle umístěn ve středu osy otáčení a směr magnetizace je radiální. Při otáčení hřídele rukojeti vzniká Hallovo napětí v důsledku změny magnetického toku Hallovým snímačem.
Výhody tohoto způsobu použití jsou:
1. Dobrá symetrie napětí;
2. Nízká realizační obtížnost;
3. V případě rukojeti se dvěma hřídeli je kolize osy XY malá;
4. Jednoosá rukojeť zabírá méně místa.
5. Nízká obtížnost magnetizace.
6. Úhel rotace může být velký (méně než 360 stupňů)
Nevýhody jsou:
1. Když je realizována dvouosá rukojeť, musí zabírat relativně velký prostor;
2. Musí být použit ve středu otáčení.
Typ rotace
1. Vzorec pro posun:
Obvykle je použití posunutí také použití 3D Hall, jako je první vlajkový čip MT1531. Obvykle je směr magnetizace radiální. Tímto způsobem by ocel s magnetickým polem měla mít magnetický tok 0mT ve středu, což je maximum na obou stranách. Při magnetizaci magnetické oceli tímto způsobem je nutné mít požadavky na rovnoměrnost magnetizace na obou stranách pásové magnetické oceli nebo zakřivené magnetické oceli. Pokud je velikost magnetu odlišná, rozložení magnetického toku bude nerovnoměrné, což povede k lineární odchylce výstupu na obou stranách při zatřesení rukojetí.
výhody:
1. Struktura je jednoduchá a cena výtlakové haly je nízká;
2. Strukturální fáze magnetické oceli, kterou je obtížné umístit do středu otáčení, je lepší;
3. Flexibilní struktura, může dělat více druhů struktury.
Nevýhody:
1. Magnetická ocel potřebuje magnetizační symetrii;
2. Obecně je velmi obtížné realizovat lineární symetrii vzorce posunutí;
3. Úhel rotace by neměl být příliš velký; (obvykle nepřesahující 40 stupňů)
——Obrázek ze specifikace MLX90333
1. Typ houpačky:
Oscilační sál je běžnou realizací dvouosého sálu. Realizuje dvouosý nebo dokonce víceosý výstup jednoho čipu superponováním více Hallových čipů na Hallův senzor.
Obvykle je směr magnetizace magnetické oceli axiální magnetizace a axiální magnetizace kruhové magnetické oceli značně sníží obtížnost magnetizace.
——Obrázek ze specifikace MLX90333
U Hallových senzorů je sice jeden 3D čip dražší než 2D čip, ale náklady na implementaci biaxiálního výstupu jsou relativně nižší než při použití dvou 2D čipů.
výhody:
1. Magnetická ocel má nízkou obtížnost magnetizace. Nízká obtížnost montáže;
2. Biaxiální náklady na realizaci jsou nízké;
3. Vodorovný prostor rukojeti je méně obsazen;
Nevýhody:
1. Požadavek offsetu Hallovy náplasti je relativně vysoký a požadavek offsetu SMT obecně není větší než 1/2 svařovací patky; V opačném případě dojde k velkému biaxiálnímu rušení (to znamená, že při tlačení jedné osy má druhá osa kolísání výstupu, 3D Hall se nemůže vyhnout biaxiálnímu rušení, ale obecně je v rozsahu výstupní odchylky považováno za kvalifikované)
2. Náklady na dosažení jednoosého výstupu budou vyšší;
3. Úhel rotace je menší než typ posunutí (obecně ne větší než 30 stupňů);
Rukojeť HJ8 Shanghai Chen Gong Electric Control využívá 3D Hall MLX90333.
II. Faktory ovlivňující výstupní odchylku Hall:
Obecně lze říci, že faktory, které ovlivňují výstupní napětí Hall, jsou zejména následující důvody. Obecně řečeno, protože čip se zřídka pokazí, příčiny odchylky výstupního napětí jsou analyzovány hlavně ze změn magnetického toku:
1. Změny magnetického toku způsobené magnetickou ocelí:
Magnetická ocel změní magnetický tok a tím i výstupní napětí z různých důvodů, jako jsou:
A. Špatná ochrana vede k adsorpci železného prášku na magnetické oceli, což má za následek změnu magnetického toku.
B. Nesprávné upevnění magnetické oceli vede k uvolnění magnetické oceli;
C. Skryté trhliny existují, když je magnetická ocel nýtována nebo fixována, což může vést k trhlinám a změnám magnetického toku po vysoké a nízké teplotě.
Způsoby, jak se vyhnout:
Tyto faktory je třeba analyzovat a opatření ke zlepšení sledovat v FEMA návrhu a procesu.
2. Změny magnetického toku způsobené vnějšími příčinami:
Obecně se magnetický tok Hallovým čipem mění v důsledku kolísání obvodu způsobených vnějším magnetickým polem nebo nárazem napětí, čímž se ovlivňuje výstup.
Způsoby, jak se vyhnout:
Byl proveden test EMC a pro zvýšení stínění Hallova čipu bylo použito stínění.
3. Výstupní odchylka způsobená mechanickou strukturou:
Po dlouhodobém používání vede zvětšení mechanické vůle ke zvýšení výstupní odchylky.
Způsoby, jak se vyhnout:
Optimalizujte konstrukční řešení.
4. Neregulovaný zdroj externího vstupního napětí:
Obecně řečeno, jmenovité vstupní Hallovo napětí výrobce Hallovy kliky je 5.0Vdc±0,5V, ale v praxi se toto napětí vztahuje k napětí, které pohání Hallův senzor. Pokud je hodnota kalibračního výstupního napětí 0,5~2,5V~4,5V výstup, vstupní napětí 5,5V, pak střední výstupní napětí bude 2,75V, mimo rozsah středních požadavků. Zákazníkům se proto obecně říká, aby používali regulované napájení. Odchylka napájení je obecně ±0,2V s podmínkami v nejlepším rozsahu ±0,1V.