Biasanya dalam proses penggunaan joystick, ada dua cara untuk mencapai sinyal keluaran analog: bentuk sensor hall dan jenis potensiometer.
1, Artikel ini bertujuan untuk mengklarifikasi prinsip implementasi dasar sensor Hall, perbedaan, kelebihan dan kekurangan antara Hall 2D dan Hall 3D.
Definisi Efek Hall:
Efek Hall ditemukan oleh fisikawan Hall pada tahun 1879. Ini mendefinisikan hubungan antara medan magnet dan tegangan induksi. Efek ini sangat berbeda dari induksi elektromagnetik tradisional.
——Gambar dari Internet
Seperti yang ditunjukkan di atas, ketika arus listrik melewati konduktor yang terletak di medan magnet (permukaan yang diarsir), medan magnet memberikan gaya pada elektron di konduktor yang tegak lurus terhadap arah gerak elektron, menghasilkan beda potensial. di kedua arah tegak lurus terhadap konduktor dan garis induktansi magnetik.
Ketika medan magnet tegak lurus terhadap arah arus diterapkan ke semikonduktor, elektron dan lubang di semikonduktor akan tertarik oleh gaya Lorentz ke arah yang berbeda dan berkumpul ke arah yang berbeda. Medan listrik akan dihasilkan antara elektron dan lubang yang terkumpul. Setelah gaya medan listrik dan gaya Lorentz diseimbangkan, keduanya tidak lagi beragregasi. Dalam hal ini, medan listrik akan membuat elektron dan lubang berikutnya tunduk pada gaya medan listrik dan menyeimbangkan gaya Lorentz yang dihasilkan oleh medan magnet, sehingga elektron dan lubang berikutnya dapat melewatinya dengan lancar tanpa penyimpangan, yang merupakan efek Hall. . Perbedaan tegangan antara kedua sisi disebut tegangan Hall.
Diagram skematik
Elektron menciptakan perbedaan potensial dalam medan magnet yang menghasilkan gaya Lorentz
Gaya Lorentz F=qE ditambah qvB/c
Jadi lapangan Hall
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Penerapan Efek Hall:
Meskipun efek Hall ditemukan lebih awal, itu dibatasi oleh pengembangan magnet konstan dan komponen elektronik. Sensor hall pertama kali muncul sekitar tahun 1970-an.
Sensor Hall dasar dirancang sebagai sirkuit terintegrasi chip Hall yang sangat andal dengan mengemas chip sirkuit dari bahan kristal tunggal silikon ke dalam struktur pengemasan kedap udara.
Namun, karena masalah desain sirkuit, chip Hall yang digunakan untuk pertama kali akan menghasilkan perubahan tegangan yang besar karena penyimpangan suhu, yang tidak dapat diterapkan di lingkungan industri yang sebenarnya.
Belakangan, hingga sekitar tahun 1990-an, beberapa perusahaan, seperti MLX, menggunakan rangkaian kompensasi suhu untuk mengimbangi pengaruh parameter terkait suhu dalam rumus perhitungan medan magnet, sehingga medan magnet tidak berubah dengan suhu. Selain itu, chip Hall telah mewujudkan operasi yang dapat diprogram, yang tidak perlu menyesuaikan keluaran analog yang ditetapkan oleh chip Hall dengan persyaratan penggunaan, dan sangat memperluas skenario penggunaan dan ruang lingkup chip Hall.
Chip Hall mulai banyak digunakan di lingkungan industri dan kendaraan, digunakan untuk menilai parameter perpindahan dan sudut rotasi, dan mengubahnya menjadi output analog.
Mengikuti Perusahaan MLX, banyak produsen IC di dalam dan luar negeri bergabung dalam pengembangan chip Hall. Chip Hall konvensional yang digunakan sekarang biasanya terbuat dari beberapa chip Hall yang ditumpangkan untuk penilaian redundansi, yang sangat meningkatkan resolusi dan akurasi output analog.
Penggunaan Hall di pegangan:
Pegangan industri awal mencapai keluaran analog melalui struktur pegangan yang berputar, yang mendorong peluru untuk menggerakkan katup hidrolik. Akan ada kekurangan dalam kontrol cerdas dan desain logika, dan perangkat hidrolik pasti akan mengalami fenomena kebocoran oli, yang tidak dapat digunakan di lokasi dengan persyaratan tingkat polusi tinggi atau di lokasi yang membutuhkan lingkungan yang bersih.
Hidrolik menggunakan bentuk peluru
——Gambar dari Internet
Hall pertama kali digunakan dalam joystick oleh Danfoss, pabrikan Jerman. Produk utamanya adalah JS1, JS1000 dan seterusnya.
Pabrikan chip aula biasanya digunakan dalam pegangan, termasuk MLX, TI, McGahn dan sebagainya.
Ada perbedaan antara aula pesawat 2D dan aula 3D menurut metode penggunaan yang berbeda.
Perbedaan antara Aula 2D dan Aula 3D:
Biasanya, penggunaan Hall di pegangan dibagi menjadi putar dan perpindahan dan ayunan. Tipe putar adalah Hall 2D, dan tipe perpindahan dan ayunan adalah Hall 3D.
* Perhatikan penggunaan baja magnet:
Terlepas dari bentuk Aula, ada dua persyaratan kontrol kritis untuk mencapai stabilitas kerja Aula.
Yang pertama adalah jarak antara baja magnetik dan pusat Hall, yang bervariasi menurut model chip Hall yang berbeda. Biasanya sekitar 1 ~ 5mm.
Yang kedua adalah ukuran magnetisasi baja magnet, menurut model chip Hall berbeda, umumnya dalam puluhan mT hingga ratusan mT.
Jika salah satu dari dua parameter berada di luar jangkauan atau penyimpangannya besar, maka akan menyebabkan ketidakstabilan chip Hall, yang mengakibatkan mutasi keluaran atau penyimpangan keluaran.
Selain itu, secara umum, baja magnet tidak akan menyebabkan penyimpangan keluaran karena demagnetisasi selama penggunaan jangka panjangnya, dan parameter kuncinya adalah koersivitas baja magnet. Koersivitas mengacu pada intensitas induksi magnetik B tidak kembali ke nol ketika medan magnet luar kembali ke nol setelah magnetisasi saturasi bahan magnetik. Hanya dengan menambahkan medan magnet dengan ukuran tertentu ke arah yang berlawanan dari medan magnetisasi asli, intensitas induksi magnet dapat kembali ke nol, yang disebut medan magnet koersif atau gaya koersif.
Secara umum, koersivitas baja magnetik membutuhkan Hcb Lebih besar dari atau sama dengan 850KA/m; Koersivitas intrinsik Hcj Lebih besar dari atau sama dengan 955KA/m. Faktor yang mempengaruhi utama adalah bahan baja magnet. Umumnya koersivitas bahan ferit kecil, yang akan menyebabkan demagnetisasi baja magnet untuk waktu yang lama. Dan koersivitas bahan NdFeb lebih besar, biasanya suhu tinggi non-jangka panjang (di atas 60 ~ 80 derajat) di bawah kondisi penggunaan, penggunaan sekitar lima hingga sepuluh tahun sudah lebih dari cukup.
Baja magnet yang digunakan untuk pegangan biasanya baja magnet N35 Ndfeb.
Elemen terkendali lainnya dari baja magnetik adalah remanensi Br dan produk energi magnetik maksimum BH(maks).
1. Jenis putar:
Rotary Hall biasanya dipasang di tengah sumbu rotasi, dan arah magnetisasinya radial. Ketika poros pegangan diputar, tegangan Hall dihasilkan karena perubahan fluks magnet melalui sensor Hall.
Keuntungan dari penggunaan metode ini adalah:
1. Simetri tegangan yang baik;
2. Kesulitan realisasi rendah;
3. Dalam kasus pegangan poros ganda, interferensi sumbu XY kecil;
4. Pegangan sumbu tunggal membutuhkan lebih sedikit ruang.
5. Kesulitan magnetisasi rendah.
6. Sudut Rotasi bisa besar (kurang dari 360 derajat)
Kerugiannya adalah:
1. Ketika pegangan sumbu ganda direalisasikan, perlu menempati ruang yang relatif besar;
2. Harus digunakan di tengah putaran.
Jenis rotasi
1. Rumus perpindahan:
Biasanya, penggunaan perpindahan juga menggunakan 3D Hall, seperti chip MT1531 bendera pertama. Biasanya arah magnetisasi adalah radial. Dengan cara ini, medan magnet baja harus memiliki fluks magnet 0mT di titik tengah, yang maksimum di kedua sisi. Ketika baja magnetik dimagnetisasi dengan cara ini, diperlukan persyaratan keseragaman magnetisasi di kedua sisi baja magnetik strip atau baja magnetik melengkung. Jika ukuran magnetnya berbeda, distribusi fluks magnetnya tidak merata, menghasilkan deviasi linier keluaran di kedua sisi saat pegangan diguncang.
Keuntungan:
1. Strukturnya sederhana dan harga aula perpindahannya rendah;
2. Fase struktural baja magnet yang sulit ditempatkan di pusat rotasi lebih baik;
3. Struktur fleksibel, dapat melakukan lebih banyak jenis struktur.
Kekurangan:
1. Baja magnetik membutuhkan simetri magnetisasi;
2. Secara umum, sangat sulit untuk mewujudkan simetri linear dari rumus perpindahan;
3. Sudut rotasi tidak boleh terlalu besar; (biasanya tidak melebihi 40 derajat)
——Gambar dari spesifikasi MLX90333
1. Jenis ayunan:
Oscillating Hall adalah realisasi umum dari aula biaksial. Ini mewujudkan output sumbu ganda atau bahkan multi-sumbu dari satu chip dengan melapiskan beberapa chip Hall pada sensor Hall.
Biasanya, arah magnetisasi baja magnet adalah magnetisasi aksial, dan magnetisasi aksial baja magnet melingkar akan sangat mengurangi kesulitan magnetisasi.
——Gambar dari spesifikasi MLX90333
Untuk sensor Hall, meskipun chip 3D tunggal lebih mahal daripada chip 2D, biaya penerapan keluaran biaksial relatif lebih rendah daripada menggunakan dua chip 2D.
Keuntungan:
1. Baja magnetik memiliki kesulitan magnetisasi yang rendah. Kesulitan perakitan rendah;
2. Biaya realisasi biaksial rendah;
3. Ruang horizontal pegangan kurang ditempati;
Kekurangan:
1. Persyaratan offset patch Hall relatif tinggi, dan persyaratan offset SMT umumnya tidak lebih dari 1/2 kaki pengelasan; Jika tidak, akan ada interferensi biaksial besar (yaitu, ketika mendorong satu sumbu, sumbu lainnya memiliki fluktuasi keluaran, Balai 3D tidak dapat menghindari interferensi biaksial, tetapi umumnya dalam kisaran penyimpangan keluaran dianggap memenuhi syarat)
2. Biaya untuk mencapai keluaran uniaksial akan lebih tinggi;
3. Sudut rotasi lebih kecil dari tipe perpindahan (umumnya tidak lebih dari 30 derajat);
Pegangan HJ8 dari Shanghai Chen Gong Electric Control menggunakan 3D Hall dari MLX90333.
ii. Faktor-faktor yang mempengaruhi penyimpangan output Hall:
Secara umum, faktor-faktor yang mempengaruhi tegangan keluaran Hall terutama adalah alasan-alasan berikut. Secara umum, karena chip jarang rusak, penyebab penyimpangan tegangan keluaran terutama dianalisis dari perubahan fluks magnet:
1. Perubahan fluks magnet yang disebabkan oleh baja magnet :
Baja magnet akan mengubah fluks magnet dan dengan demikian tegangan keluaran karena berbagai alasan, seperti:
A. Perlindungan yang buruk menyebabkan adsorpsi serbuk besi pada baja magnet, mengakibatkan perubahan fluks magnet.
B. Pemasangan baja magnet yang tidak tepat menyebabkan melonggarnya baja magnet;
C. Retakan tersembunyi terjadi ketika baja magnetik dipaku atau diperbaiki, yang dapat menyebabkan retakan dan perubahan fluks magnet setelah suhu tinggi dan rendah.
Cara untuk menghindari:
Faktor-faktor ini perlu dianalisis dan langkah-langkah perbaikan ditindaklanjuti dalam FEMA desain dan proses.
2. Perubahan fluks magnet yang disebabkan oleh sebab luar:
Secara umum, fluks magnet melalui chip Hall berubah karena fluktuasi sirkuit yang disebabkan oleh medan magnet luar atau dampak tegangan, sehingga mempengaruhi output.
Cara untuk menghindari:
Uji EMC dilakukan, dan shield shield digunakan untuk meningkatkan shielding chip Hall.
3. Penyimpangan keluaran yang disebabkan oleh struktur mekanis:
Setelah penggunaan jangka panjang, peningkatan jarak mekanis menyebabkan peningkatan deviasi output.
Cara untuk menghindari:
Mengoptimalkan desain struktural.
4. Catu daya tegangan input eksternal yang tidak diatur:
Secara umum, voltase input Hall nominal dari produsen gagang Hall adalah 5.0Vdc±0.5V, tetapi dalam praktiknya, voltase ini mengacu pada voltase yang menggerakkan sensor Hall. Jika nilai tegangan output kalibrasi adalah 0.5~2.5V~4.5V output, tegangan input 5.5V, maka tegangan output median akan menjadi 2.75V, di luar kisaran persyaratan median. Oleh karena itu, pelanggan umumnya diminta untuk menggunakan catu daya yang diatur. Penyimpangan catu daya umumnya ±0.2V dengan kondisi dalam kisaran terbaik ±0.1V.