Por lo general, en el proceso de uso del joystick, hay dos formas de lograr una señal de salida analógica: forma de sensor Hall y tipo potenciómetro.
1, este artículo tiene como objetivo aclarar el principio básico de implementación del sensor Hall, las diferencias, ventajas y desventajas entre 2D Hall y 3D Hall.
Definición de efecto Hall:
El efecto Hall fue descubierto por el físico Hall en 1879. Define la relación entre el campo magnético y el voltaje inducido. Este efecto es completamente diferente de la inducción electromagnética tradicional.
——Imagen de Internet
Como se muestra arriba, cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor ubicado en un campo magnético (la superficie sombreada), el campo magnético ejerce una fuerza sobre los electrones en el conductor perpendicular a la dirección del movimiento de los electrones, lo que resulta en una diferencia de potencial en ambas direcciones perpendiculares al conductor y a la línea de inductancia magnética.
Cuando se aplica al semiconductor un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, los electrones y los huecos en el semiconductor serán atraídos por la fuerza de Lorentz en diferentes direcciones y se agregarán en diferentes direcciones. Se generará un campo eléctrico entre los electrones reunidos y los huecos. Después de equilibrar la fuerza del campo eléctrico y la fuerza de Lorentz, ya no se agregarán. En este caso, el campo eléctrico hará que los electrones y huecos subsiguientes estén sujetos a la fuerza del campo eléctrico y equilibre la fuerza de Lorentz generada por el campo magnético, de modo que los electrones y huecos subsiguientes puedan pasar suavemente sin desviación, que es el efecto Hall. . La diferencia de voltaje entre los dos lados se llama voltaje Hall.
Diagrama esquemático
El electrón crea una diferencia de potencial en el campo magnético que resulta en una fuerza de Lorentz.
Fuerza de Lorentz F=qE más qvB/c
Así que el campo Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Aplicación del efecto Hall:
Aunque el efecto Hall se descubrió antes, estaba limitado por el desarrollo de imanes constantes y componentes electrónicos. Los sensores Hall aparecieron por primera vez alrededor de la década de 1970.
El sensor Hall básico está diseñado como un circuito integrado de chip Hall altamente confiable al empaquetar el chip del circuito de material de cristal único de silicio en una estructura de empaque hermético.
Sin embargo, debido a problemas de diseño del circuito, el chip Hall utilizado por primera vez producirá grandes cambios de voltaje debido a la variación de temperatura, lo que no se puede aplicar en el entorno industrial real.
Más tarde, hasta alrededor de la década de 1990, algunas empresas, como MLX, utilizaron circuitos de compensación de temperatura para contrarrestar la influencia de los parámetros relacionados con la temperatura en la fórmula de cálculo del campo magnético, de modo que el campo magnético no cambie con la temperatura. Además, el chip Hall ha realizado una operación programable, que no necesita adaptar la salida analógica establecida por el chip Hall a los requisitos de uso, y amplía en gran medida el escenario de uso y el alcance del chip Hall.
El chip Hall comenzó a usarse ampliamente en entornos industriales y de vehículos, para juzgar los parámetros de desplazamiento y ángulo de rotación, y convertirlos en salida analógica.
Siguiendo a MLX Company, muchos fabricantes de circuitos integrados en el país y en el extranjero se unieron al desarrollo del chip Hall. El chip Hall convencional que se usa ahora generalmente está hecho de múltiples chips Hall superpuestos para el juicio de redundancia, lo que mejora en gran medida la resolución y la precisión de la salida analógica.
Uso de Hall en el mango:
Los primeros mangos industriales lograron una salida analógica a través de la estructura giratoria del mango, que empujaba la bala para impulsar la válvula hidráulica. Habrá deficiencias en el control inteligente y el diseño lógico, y el dispositivo hidráulico inevitablemente tendrá un fenómeno de fuga de aceite, que no se puede usar en la escena con requisitos de alto nivel de contaminación o en la escena que requiere un ambiente limpio.
Uso hidráulico de la forma de bala.
——Imagen de Internet
Hall fue utilizado por primera vez en joysticks por Danfoss, un fabricante alemán. Sus principales productos son JS1, JS1000, etc.
Los fabricantes de chips Hall se usan comúnmente en el mango, incluidos MLX, TI, McGahn, etc.
Existen diferencias entre la sala de planos 2D y la sala 3D según los diferentes métodos de uso.
Diferencia entre 2D Hall y 3D Hall:
Normalmente, el uso de Hall en el mango se divide en rotatorio y de desplazamiento y oscilación. El tipo giratorio es 2D Hall, y el tipo de desplazamiento y oscilación es 3D Hall.
* Tenga en cuenta el uso de acero magnético:
Independientemente de la forma del Salón, hay dos requisitos de control críticos para lograr la estabilidad del trabajo del Salón.
El primero es la distancia entre el acero magnético y el centro Hall, que varía según los diferentes modelos de chips Hall. Por lo general, es de aproximadamente 1 ~ 5 mm.
El segundo es el tamaño de magnetización del acero magnético, según el modelo de chip Hall es diferente, generalmente en decenas de mT a cientos de mT.
Si cualquiera de los dos parámetros está fuera de rango o la desviación es grande, causará la inestabilidad del chip Hall, lo que resultará en una mutación de salida o una desviación de salida.
Además, en general, el acero magnético no causará desviación de salida debido a la desmagnetización durante su uso a largo plazo, y su parámetro clave es la coercitividad del acero magnético. La coercitividad se refiere a que la intensidad de inducción magnética B no vuelve a cero cuando el campo magnético externo vuelve a cero después de la magnetización de saturación de los materiales magnéticos. Solo agregando un campo magnético de cierto tamaño en la dirección opuesta al campo de magnetización original, la intensidad de la inducción magnética puede volver a cero, lo que se denomina campo magnético coercitivo o fuerza coercitiva.
En general, la coercitividad del acero magnético requiere Hcb mayor o igual a 850 KA/m; Coercitividad intrínseca Hcj Mayor o igual a 955KA/m. El principal factor que influye es el material de acero magnético. En general, la coercitividad del material de ferrita es pequeña, lo que conducirá a la desmagnetización del acero magnético durante mucho tiempo. Y la coercitividad del material de NdFeb es mayor, por lo general a alta temperatura no a largo plazo (por encima de 60 ~ 80 grados) en las condiciones de uso, el uso de entre cinco y diez años es más que suficiente.
El acero magnético utilizado para el mango suele ser acero magnético N35 Ndfeb.
Otros elementos controlados del acero magnético son la remanencia Br y el producto de máxima energía magnética BH(max).
1. Tipo rotatorio:
La sala rotatoria generalmente se establece en el centro del eje de rotación y la dirección de magnetización es radial. Cuando se gira el eje del mango, se genera el voltaje Hall debido al cambio en el flujo magnético a través del sensor Hall.
Las ventajas de este método de uso son:
1. Buena simetría de voltaje;
2. Baja dificultad de realización;
3. En el caso del mango de doble eje, la interferencia del eje XY es pequeña;
4. El mango de un solo eje ocupa menos espacio.
5. Baja dificultad de magnetización.
6. El ángulo de rotación puede ser grande (menos de 360 grados)
Las desventajas son:
1. Cuando se realiza el mango de doble eje, debe ocupar un espacio relativamente grande;
2. Debe usarse en el centro de rotación.
Tipo de rotación
1. Fórmula de desplazamiento:
Por lo general, el uso de desplazamiento es también el uso de 3D Hall, como el primer chip de bandera MT1531. Por lo general, la dirección de magnetización es radial. De esta forma, el acero de campo magnético debería tener un flujo magnético de 0mT en el punto medio, que es máximo en ambos lados. Cuando el acero magnético se magnetiza de esta manera, es necesario tener requisitos sobre la uniformidad de la magnetización en ambos lados de la tira de acero magnético o del acero magnético curvo. Si el tamaño magnético es diferente, la distribución del flujo magnético será desigual, lo que dará como resultado una desviación lineal de la salida en ambos lados cuando se agite el mango.
ventajas:
1. La estructura es simple y el precio de la sala de desplazamiento es bajo;
2. La fase estructural del acero magnético que es difícil de colocar en el centro de rotación es mejor;
3. Estructura flexible, puede hacer más variedades de estructura.
Desventajas:
1. El acero magnético necesita simetría de magnetización;
2. En general, es muy difícil realizar la simetría lineal de la fórmula de desplazamiento;
3. El ángulo de rotación no debe ser demasiado grande; (generalmente no excede los 40 grados)
——Imagen de la especificación MLX90333
1. Tipo de columpio:
La sala oscilante es una realización común de la sala biaxial. Realiza una salida de doble eje o incluso multieje de un chip al superponer múltiples chips Hall en un sensor Hall.
Por lo general, la dirección de la magnetización del acero magnético es la magnetización axial, y la magnetización axial del acero magnético circular reducirá en gran medida la dificultad de la magnetización.
——Imagen de la especificación MLX90333
Para los sensores Hall, aunque un solo chip 3D es más caro que un chip 2D, el costo de implementar una salida biaxial es relativamente menor que usar dos chips 2D.
ventajas:
1. El acero magnético tiene baja dificultad de magnetización. Baja dificultad de montaje;
2. El costo de realización biaxial es bajo;
3. El espacio horizontal del mango está menos ocupado;
Desventajas:
1. El requisito de compensación del parche Hall es relativamente alto, y el requisito de compensación de SMT generalmente no es más de la mitad del pie de soldadura; De lo contrario, habrá una gran interferencia biaxial (es decir, al empujar un eje, el otro eje tiene fluctuaciones de salida, 3D Hall no puede evitar la interferencia biaxial, pero generalmente dentro del rango de desviación de salida se considera calificado)
2. El costo de lograr una salida uniaxial será mayor;
3. El ángulo de rotación es más pequeño que el tipo de desplazamiento (generalmente no más de 30 grados);
El mango HJ8 de Shanghai Chen Gong Electric Control utiliza el Salón 3D de MLX90333.
Yo. Factores que afectan la desviación de salida Hall:
En términos generales, los factores que afectan el voltaje de salida Hall son principalmente las siguientes razones. En términos generales, dado que el chip rara vez se estropea, las causas de la desviación del voltaje de salida se analizan principalmente a partir de los cambios de flujo magnético:
1. Cambios en el flujo magnético causados por el acero magnético:
El acero magnético cambiará el flujo magnético y, por lo tanto, el voltaje de salida debido a varias razones, tales como:
A. La protección deficiente conduce a la adsorción de polvo de hierro en el acero magnético, lo que provoca un cambio en el flujo magnético.
B. La fijación incorrecta del acero magnético conduce al aflojamiento del acero magnético;
C. Existen grietas ocultas cuando el acero magnético se remacha o fija, lo que puede provocar grietas y cambios en el flujo magnético después de altas y bajas temperaturas.
Maneras de evitar:
Es necesario analizar estos factores y dar seguimiento a las medidas de mejora en la FEMA del diseño y proceso.
2. Cambios de flujo magnético causados por causas externas:
Generalmente, el flujo magnético a través del chip Hall cambia debido a las fluctuaciones del circuito causadas por un campo magnético externo o un impacto de voltaje, lo que afecta la salida.
Maneras de evitar:
Se llevó a cabo una prueba de EMC y se usó un escudo protector para aumentar el blindaje del chip Hall.
3. Desviación de salida causada por la estructura mecánica:
Después de un uso a largo plazo, el aumento de la holgura mecánica conduce a un aumento de la desviación de salida.
Maneras de evitar:
Optimizar el diseño estructural.
4. Fuente de alimentación no regulada de tensión de entrada externa:
En términos generales, el voltaje de entrada Hall nominal del fabricante del mango Hall es 5.0Vdc±0.5V, pero en la práctica, este voltaje se refiere al voltaje que activa el sensor Hall. Si el valor del voltaje de salida de calibración es 0.5~2.5V~4.5V de salida, ingrese un voltaje de 5.5V, entonces el voltaje de salida medio será de 2.75V, más allá del rango de los requisitos medios. Por lo tanto, generalmente se les dice a los clientes que usen una fuente de alimentación regulada. La desviación de la fuente de alimentación es generalmente ±0.2V con condiciones en el mejor rango de ±0.1V.