De obicei, în procesul de utilizare a joystick-ului, există două moduri de a obține semnal analogic de ieșire: forma senzorului Hall și tip potențiometru.
1, Acest articol își propune să clarifice principiul de bază de implementare a senzorului Hall, diferențele, avantajele și dezavantajele dintre 2D Hall și 3D Hall.
Definiția efectului Hall:
Efectul Hall a fost descoperit de fizicianul Hall în 1879. Acesta definește relația dintre câmpul magnetic și tensiunea indusă. Acest efect este complet diferit de inducția electromagnetică tradițională.
——Imagine de pe Internet
După cum se arată mai sus, atunci când un curent electric trece printr-un conductor situat într-un câmp magnetic (suprafața umbrită), câmpul magnetic exercită o forță asupra electronilor din conductor perpendicular pe direcția mișcării electronilor, rezultând o diferență de potențial în ambele direcţii perpendiculare pe conductor şi pe linia de inductanţă magnetică.
Atunci când semiconductorului i se aplică un câmp magnetic perpendicular pe direcția curentului, electronii și golurile din semiconductor vor fi atrași de forța Lorentz în direcții diferite și se vor agrega în direcții diferite. Câmpul electric va fi generat între electronii adunați și găuri. După ce forța câmpului electric și forța Lorentz sunt echilibrate, acestea nu se vor mai agrega. În acest caz, câmpul electric va supune electronii și găurile ulterioare forței câmpului electric și va echilibra forța Lorentz generată de câmpul magnetic, astfel încât electronii și găurile ulterioare să poată trece fără deviere, care este efectul Hall. . Diferența de tensiune dintre cele două părți se numește tensiune Hall.
Diagramă schematică
Electronul creează o diferență de potențial în câmpul magnetic rezultând o forță Lorentz
Forța Lorentz F=qE plus qvB/c
Deci câmpul Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Aplicarea efectului Hall:
Deși efectul Hall a fost descoperit mai devreme, acesta a fost limitat de dezvoltarea magneților constanti și a componentelor electronice. Senzorii Hall au apărut pentru prima dată în jurul anilor 1970.
Senzorul Hall de bază este proiectat ca un circuit integrat cu cip Hall extrem de fiabil, prin ambalarea cipul de circuit din material monocristal de siliciu într-o structură de ambalare etanșă la aer.
Cu toate acestea, din cauza problemelor de proiectare a circuitului, cipul Hall utilizat pentru prima dată va produce schimbări mari de tensiune din cauza derivei temperaturii, care nu poate fi aplicată în mediul industrial real.
Mai târziu, până în jurul anilor 1990, unele companii, precum MLX, au folosit circuite de compensare a temperaturii pentru a compensa influența parametrilor legați de temperatură în formula de calcul a câmpului magnetic, astfel încât câmpul magnetic să nu se modifice odată cu temperatura. Mai mult, cipul Hall a realizat o funcționare programabilă, care nu trebuie să adapteze ieșirea analogică setată de cipul Hall la cerințele de utilizare și lărgește foarte mult scenariul de utilizare și domeniul de aplicare al cipul Hall.
Cipul Hall a început să fie utilizat pe scară largă în mediul industrial și vehicul, folosit pentru a judeca parametrii de deplasare și unghi de rotație și pentru a le converti în ieșire analogică.
În urma companiei MLX, mulți producători de circuite integrate din țară și din străinătate s-au alăturat dezvoltării cipului Hall. Cipul Hall convențional utilizat acum este de obicei format din mai multe cipuri Hall suprapuse pentru evaluarea redundanței, ceea ce îmbunătățește considerabil rezoluția și acuratețea ieșirii analogice.
Utilizarea Hall în mâner:
Mânerele industriale timpurii au obținut o ieșire analogică prin structura rotativă a mânerului, care a împins glonțul pentru a antrena supapa hidraulică. Vor exista deficiențe în controlul inteligent și designul logic, iar dispozitivul hidraulic va avea inevitabil fenomen de scurgere de ulei, care nu poate fi utilizat în scena cu cerințe de nivel ridicat de poluare sau în scena care necesită un mediu curat.
Utilizarea hidraulică a formei glonțului
——Imagine de pe Internet
Hall a fost folosit pentru prima dată în joystick-uri de către Danfoss, un producător german. Produsele sale principale sunt JS1, JS1000 și așa mai departe.
Producătorii de cipuri Hall sunt utilizați în mod obișnuit în mâner, inclusiv MLX, TI, McGahn și așa mai departe.
Există diferențe între sala avionului 2D și sala 3D în funcție de diferite metode de utilizare.
Diferența dintre Sala 2D și Sala 3D:
În mod normal, utilizarea Hall în mâner este împărțită în rotativ și deplasare și balansare. Tipul rotativ este 2D Hall, iar tipul de deplasare și swing este 3D Hall.
* Rețineți utilizarea oțelului magnetic:
Indiferent de forma sălii, există două cerințe critice de control pentru a obține stabilitatea activității sălii.
Prima este distanța dintre oțelul magnetic și centrul Hall, care variază în funcție de diferitele modele de cip Hall. În general, este de aproximativ 1 ~ 5 mm.
A doua este dimensiunea de magnetizare a oțelului magnetic, conform modelului de cip Hall este diferită, în general în zeci de mT la sute de mT.
Dacă oricare dintre cei doi parametri este în afara intervalului sau abaterea este mare, aceasta va cauza instabilitatea cipului Hall, ducând la mutația de ieșire sau deviația de ieșire.
În plus, în general, oțelul magnetic nu va provoca abateri de ieșire din cauza demagnetizării în timpul utilizării pe termen lung, iar parametrul său cheie este coerctivitatea oțelului magnetic. Coercitivitatea se referă la intensitatea inducției magnetice B nu revine la zero atunci când câmpul magnetic extern revine la zero după magnetizarea prin saturație a materialelor magnetice. Numai prin adăugarea unui câmp magnetic de o anumită dimensiune în direcția opusă câmpului de magnetizare original poate reveni la zero intensitatea inducției magnetice, ceea ce se numește câmp magnetic coercitiv sau forță coercitivă.
În general, coercitivitatea oțelului magnetic necesită Hcb Mai mare sau egal cu 850KA/m; Coercivitate intrinsecă Hcj Mai mare sau egală cu 955KA/m. Principalul factor de influență este materialul oțelului magnetic. În general, coerctivitatea materialului de ferită este mică, ceea ce va duce la demagnetizarea oțelului magnetic pentru o lungă perioadă de timp. Și coerctivitatea materialului NdFeb este mai mare, de obicei, la temperatură înaltă pe termen lung (peste 60 ~ 80 de grade) în condițiile de utilizare, utilizarea de aproximativ cinci până la zece ani este mai mult decât suficientă.
Oțelul magnetic folosit pentru mâner este de obicei oțel magnetic N35 Ndfeb.
Alte elemente controlate din oțel magnetic sunt remanența Br și produsul de energie magnetică maximă BH(max).
1. Tip rotativ:
Sala rotativă este de obicei plasată în centrul axei de rotație, iar direcția de magnetizare este radială. Când arborele mânerului este rotit, tensiunea Hall este generată din cauza modificării fluxului magnetic prin senzorul Hall.
Avantajele acestei metode de utilizare sunt:
1. Simetrie bună a tensiunii;
2. Dificultate scăzută de realizare;
3. În cazul mânerului cu ax dublu, interferența axei XY este mică;
4. Mânerul cu o singură axă ocupă mai puțin spațiu.
5. Dificultate redusă de magnetizare.
6. Unghiul de rotație poate fi mare (mai puțin de 360 de grade)
Dezavantajele sunt:
1. Când se realizează mânerul cu două axe, acesta trebuie să ocupe spațiu relativ mare;
2. Trebuie folosit în centrul de rotație.
Tipul de rotație
1. Formula de deplasare:
De obicei, utilizarea deplasării este, de asemenea, utilizarea 3D Hall, cum ar fi primul cip MT1531. De obicei, direcția de magnetizare este radială. În acest fel, oțelul de câmp magnetic ar trebui să aibă un flux magnetic de 0mT la mijloc, care este maxim pe ambele părți. Când oțelul magnetic este magnetizat în acest fel, este necesar să existe cerințe privind uniformitatea magnetizării pe ambele părți ale benzii de oțel magnetic sau oțel magnetic curbat. Dacă dimensiunea magnetică este diferită, distribuția fluxului magnetic va fi neuniformă, rezultând o abatere liniară a ieșirii pe ambele părți atunci când mânerul este scuturat.
Avantaje:
1. Structura este simpla iar pretul halei de deplasare este mic;
2. Faza structurală a oțelului magnetic greu de plasat în centrul de rotație este mai bună;
3. Structură flexibilă, poate face mai multe varietăți de structură.
Dezavantaje:
1. Oțelul magnetic are nevoie de simetrie de magnetizare;
2. În general, este foarte dificil să se realizeze simetria liniară a formulei de deplasare;
3. Unghiul de rotație nu trebuie să fie prea mare; (de obicei nu depășește 40 de grade)
——Imagine din specificația MLX90333
1. Tip leagăn:
Sala oscilante este o realizare comună a halei biaxiale. Realizează ieșirea pe două axe sau chiar pe mai multe axe a unui cip prin suprapunerea mai multor cipuri Hall pe un senzor Hall.
De obicei, direcția magnetizării oțelului magnetic este magnetizarea axială, iar magnetizarea axială a oțelului magnetic circular va reduce foarte mult dificultatea magnetizării.
——Imagine din specificația MLX90333
Pentru senzorii Hall, deși un singur cip 3D este mai scump decât un cip 2D, costul implementării unei ieșiri biaxiale este relativ mai mic decât utilizarea a două cipuri 2D.
Avantaje:
1. Oțelul magnetic are dificultate scăzută de magnetizare. Dificultate redusă de asamblare;
2. Costul de realizare biaxial este scăzut;
3. Spațiul orizontal al mânerului este mai puțin ocupat;
Dezavantaje:
1. Cerința de compensare a patch-ului Hall este relativ mare, iar cerința de compensare a SMT nu este, în general, mai mare de 1/2 din piciorul de sudură; În caz contrar, va exista o interferență biaxială mare (adică atunci când se împinge o axă, cealaltă axă are fluctuații de ieșire, 3D Hall nu poate evita interferența biaxială, dar, în general, în intervalul de abatere de ieșire este considerat calificat)
2. Costul realizării ieșirii uniaxiale va fi mai mare;
3. Unghiul de rotație este mai mic decât tipul de deplasare (în general, nu mai mult de 30 de grade);
Mânerul HJ8 de la Shanghai Chen Gong Electric Control utilizează Sala 3D a MLX90333.
ii. Factori care afectează abaterea ieșirii Hall:
În general, factorii care afectează tensiunea de ieșire Hall sunt în principal următoarele motive. În general, deoarece cipul se defectează rar, cauzele abaterii tensiunii de ieșire sunt analizate în principal din modificările fluxului magnetic:
1. Modificări ale fluxului magnetic cauzate de oțelul magnetic:
Oțelul magnetic va modifica fluxul magnetic și, prin urmare, tensiunea de ieșire din diverse motive, cum ar fi:
A. Protecția slabă duce la adsorbția pulberii de fier pe oțelul magnetic, având ca rezultat modificarea fluxului magnetic.
B. Fixarea necorespunzătoare a oțelului magnetic duce la slăbirea oțelului magnetic;
C. Fisurile ascunse există atunci când oțelul magnetic este nituit sau fixat, ceea ce poate duce la fisuri și la modificări ale fluxului magnetic după temperatură ridicată și scăzută.
Modalități de a evita:
Acești factori trebuie analizați și măsurile de îmbunătățire urmate în FEMA a proiectării și procesului.
2. Modificări ale fluxului magnetic cauzate de cauze externe:
În general, fluxul magnetic prin cipul Hall se modifică din cauza fluctuațiilor circuitului cauzate de câmpul magnetic extern sau impactul tensiunii, afectând astfel ieșirea.
Modalități de a evita:
S-a efectuat testul EMC și s-a folosit scut pentru a crește ecranarea cipului Hall.
3. Abaterea de ieșire cauzată de structura mecanică:
După utilizare pe termen lung, creșterea jocului mecanic duce la creșterea abaterii de ieșire.
Modalități de a evita:
Optimizați proiectarea structurală.
4. Sursă de alimentare nereglată cu tensiune de intrare externă:
În general, tensiunea nominală de intrare Hall a producătorului mânerului Hall este de 5.0Vdc±{0.5V, dar în practică, această tensiune se referă la tensiunea care antrenează senzorul Hall. Dacă valoarea tensiunii de ieșire de calibrare este de 0.5~2.5V~4.5V de ieșire, tensiune de intrare de 5,5V, atunci tensiunea medie de ieșire va fi de 2,75V, dincolo de intervalul cerințelor medii. Prin urmare, clienților li se spune în general să folosească o sursă de alimentare reglementată. Abaterea sursei de alimentare este, în general, de ±0.2V, cu condiții în cel mai bun interval de ±0.1V.