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引言

机器人机制需要通过编程对设置和控制行为进行响应才能完成特定任务。这些任务涵盖移动运输、稳定性控制或制造和装配作业。机器人在每种情况下的运动都通过电机驱动机制进行控制，该机制可以直接驱动，或通过其他方式（例如齿轮箱、皮带、螺杆或齿条与小齿轮）耦合到系统。

图 1 机器人机制

在所有情况下，电机轴的旋转都与系统耦合。鉴于各种原因，在任何应用中，了解电机转轴位置与整体系统行为的关系都至关重要。

• 可靠的位置控制，可实现一致的系统控制
• 降低对系统、附近物体和人员造成损坏或伤害的风险
• 改进功能的同步和时序控制，可实现更快的响应

这些因素会影响自主移动机器人在仓库的自行导航能力，或六轴机械臂执行装配任务时的精度和可重复性。

虽然位置信息可从用于电机换向的传感器中逐渐获得，但通常需要更高的精度才能产生一致的行为。角度编码通常用于跟踪电机轴的位置，以提供所需的精度。

角度编码设计

要测量电机轴的绝对角度，编码器必须对电机轴本身执行测量。大多数机器人应用都需要通常使用磁感应或光学编码获得的绝对位置信息。为了可靠地运行，光学编码器需要笨重的外壳来保护传感器免受污垢、灰尘或其他污染物的影响。此外，这些设计必须与电机轴机械耦合，并且可能会在运行速度上受到限制。

磁感应和电感感应都能应对这两个挑战。在将磁体连接到电机轴的情况下，可以通过测量磁场来确定角度位置。有关此测量的更多信息，请参阅利用霍尔效应传感器测量旋转运动的绝对角度应用简介。

磁感应

标准霍尔效应磁传感器本质上是一个维度。霍尔效应测量由洛伦兹力引起的载流元件中的电压差。本质上，施加的磁场、电流和电压是相互正交的。因此，单个器件只能测量三维磁场的一个分量。

图 2 霍尔效应

要使用反正切函数有效测量 360 度全旋转的角度，需要使用两个分别为 90 度的感应元件。一维霍尔效应传感器的放置 中显示了使用标准一维传感器的相应布置

图 3 一维霍尔效应传感器的放置

虽然这种感应磁体位置的方法确实提供了所需的输入，但它需要对旋转磁体的两个传感器进行物理隔离。每个传感器必须与磁体正确对齐，以实现更高质量的输入。克服这一挑战通常需要仔细组装。表面贴装器件可能会在回流焊过程中自定位时旋转，而通孔器件在组装过程中需要使用夹具或垫片，以确保高度一致并对齐。即使在焊接过程中实现了理想对齐，对器件施加的力也可能会弯曲引线并产生非理想对齐。

因此，TMAG5170、TMAG5273 和 TMAG5173-Q1 等单片 3D 霍尔效应传感器是机器人位置编码器的理想选择。这种类型的器件能够测量和报告 B 场矢量的各个分量，请参阅图 4。

图 4 B 场矢量

在监控每个组件时，旋转磁体自然会向传感器提供相位差为 90 度的输入。

图 5 3D 磁输入示例

使用 3D 霍尔效应传感器时，用于测量磁场的霍尔元件在同一芯片内相互正交。因此，在寻找角度位置时，小的焊接错位更容易被接受，因为传感元件始终保持相互对齐。当使用集成到单个芯片中的传感器时，灵敏度匹配也会得到改善，因为它们在制造过程中会遇到类似的情况。

图 6 3D 霍尔效应传感器

现在只有一个封装需要对齐，磁体的放置更加灵活。可以使用安装在轴穿孔上的环形磁体或标准圆柱形磁体的末端。该传感器可以方便地放置在磁体可触及范围内的任何位置，以实现紧凑的编码设计。

图 7 3D 霍尔效应传感器的放置

此系列器件的另一个巨大优势是能够通过数字接口将数据发送回微控制器。由于数字数据不易损坏，因此在通过线缆传输时，干扰电气噪声并不重要。对于所有读取操作，循环冗余校验 (CRC) 可确保信号完整性。这也允许远程放置微控制器，从而提高机械设计的多功能性。

TMAG5170 还能够在正常运行期间运行自诊断。其中包括检查内部存储器、V_CC 状态、内部 LDO 状态、输出引脚电压、温度和其他器件功能验证。此功能提供有关器件状态的实时信息，以帮助指导可能影响可靠性或安全性的系统操作。