Vanligtvis vid användning av joystick finns det två sätt att uppnå analog utsignal: Hallsensorform och potentiometertyp.
1, Denna artikel syftar till att klargöra den grundläggande implementeringsprincipen för Hall-sensor, skillnaderna, fördelarna och nackdelarna mellan 2D Hall och 3D Hall.
Definition av Hall Effect:
Halleffekten upptäcktes av fysikern Hall 1879. Den definierar förhållandet mellan magnetfält och inducerad spänning. Denna effekt skiljer sig helt från traditionell elektromagnetisk induktion.
——Bild från Internet
Som visas ovan, när en elektrisk ström passerar genom en ledare belägen i ett magnetfält (den skuggade ytan), utövar magnetfältet en kraft på elektronerna i ledaren vinkelrätt mot riktningen för elektronernas rörelse, vilket resulterar i en potentialskillnad. i båda riktningarna vinkelrät mot ledaren och den magnetiska induktanslinjen.
När ett magnetfält vinkelrätt mot strömriktningen appliceras på halvledaren, kommer elektroner och hål i halvledaren att attraheras av Lorentzkraft i olika riktningar och aggregeras i olika riktningar. Elektriskt fält kommer att genereras mellan de samlade elektronerna och hålen. Efter att den elektriska fältkraften och Lorentzkraften är balanserade kommer de inte längre att aggregeras. I detta fall kommer det elektriska fältet att göra de efterföljande elektronerna och hålen föremål för den elektriska fältkraften och balansera Lorentz-kraften som genereras av magnetfältet, så att de efterföljande elektronerna och hålen kan passera igenom smidigt utan avvikelse, vilket är Hall-effekten . Spänningsskillnaden mellan de två sidorna kallas Hallspänning.
Schematiskt diagram
Elektronen skapar en potentialskillnad i magnetfältet som resulterar i en Lorentz-kraft
Lorentz kraft F=qE plus qvB/c
Hallfältet alltså
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Tillämpning av Hall Effect:
Även om Hall-effekten upptäcktes tidigare, begränsades den av utvecklingen av konstanta magneter och elektroniska komponenter. Hallsensorer dök upp först runt 1970-talet.
Den grundläggande Hall-sensorn är designad som en mycket pålitlig Hall-chip integrerad krets genom att förpacka kretschipset av enkristallmaterial av kisel i en lufttät förpackningsstruktur.
Men på grund av kretsdesignproblem kommer Hall-chipet som används för första gången att producera stora spänningsförändringar på grund av temperaturdrift, vilket inte kan tillämpas i den faktiska industriella miljön.
Senare, fram till runt 1990-talet, använde vissa företag, såsom MLX, temperaturkompensationskretsar för att kompensera inverkan av temperaturrelaterade parametrar i magnetfältsberäkningsformeln, så att magnetfältet inte ändras med temperaturen. Dessutom har Hall-chippet realiserat programmerbar drift, som inte behöver anpassa den analoga utgången som ställs in av Hall-chippet till användningskraven, och avsevärt breddar användningsscenariot och omfattningen av Hall-chippet.
Hall-chip började användas i stor utsträckning i industri- och fordonsmiljö, användes för att bedöma parametrarna för förskjutning och rotationsvinkel och omvandla dem till analog utgång.
Efter MLX Company gick många IC-tillverkare hemma och utomlands med i utvecklingen av Hall-chipet. Det konventionella Hall-chippet som används nu är vanligtvis tillverkat av flera Hall-chips som är överlagrade för redundansbedömning, vilket avsevärt förbättrar upplösningen och noggrannheten för analog utmatning.
Användning av Hall i handtaget:
Tidiga industriella handtag uppnådde analog uteffekt genom den roterande strukturen på handtaget, som tryckte på kulan för att driva den hydrauliska ventilen. Det kommer att finnas brister i intelligent styrning och logikdesign, och den hydrauliska enheten kommer oundvikligen att ha oljeläckagefenomen, som inte kan användas på scenen med höga krav på föroreningsnivåer eller på scenen som kräver en ren miljö.
Hydraulisk användning av kulformen
——Bild från Internet
Hall användes först i joysticks av Danfoss, en tysk tillverkare. Dess huvudprodukter är JS1, JS1000 och så vidare.
Hall-chiptillverkare används ofta i handtaget, inklusive MLX, TI, McGahn och så vidare.
Det finns skillnader mellan 2D-planhall och 3D-hall beroende på olika användningsmetoder.
Skillnaden mellan 2D Hall och 3D Hall:
Normalt är användningen av Hall i handtaget uppdelad i roterande och förskjutning och svängning. Den roterande typen är 2D Hall, och förskjutnings- och svängtypen är 3D Hall.
* Observera användningen av magnetiskt stål:
Oavsett Hallens form finns det två kritiska kontrollkrav för att uppnå stabiliteten i Hallens arbete.
Den första är avståndet mellan det magnetiska stålet och Hall-centret, som varierar beroende på olika Hall-chipmodeller. Det är vanligtvis cirka 1 ~ 5 mm.
Den andra är magnetiseringsstorleken för magnetiskt stål, enligt Hall-chipmodellen är annorlunda, vanligtvis i dussintals mT till hundratals mT.
Om någon av de två parametrarna ligger utanför intervallet eller om avvikelsen är stor, kommer det att orsaka instabilitet hos Hall-chippet, vilket resulterar i utmatningsmutation eller utmatningsavvikelse.
Dessutom kommer magnetiskt stål i allmänhet inte att orsaka utgångsavvikelse på grund av avmagnetisering under långvarig användning, och dess nyckelparameter är magnetiskt ståls koercitivitet. Koercivitet avser att den magnetiska induktionsintensiteten B inte återgår till noll när det externa magnetfältet återgår till noll efter mättnadsmagnetisering av magnetiska material. Endast genom att lägga till ett magnetfält av en viss storlek i motsatt riktning av det ursprungliga magnetiseringsfältet kan den magnetiska induktionsintensiteten återgå till noll, vilket kallas koercitivt magnetfält eller koercitiv kraft.
I allmänhet kräver koercitiviteten för magnetiskt stål Hcb Större än eller lika med 850KA/m; Inre koercivitet Hcj Större än eller lika med 955KA/m. Den huvudsakliga påverkande faktorn är materialet av magnetiskt stål. I allmänhet är koercitiviteten för ferritmaterial liten, vilket kommer att leda till avmagnetisering av magnetiskt stål under lång tid. Och tvångsförmågan för NdFeb-material är större, vanligtvis icke-långvarig hög temperatur (över 60 ~ 80 grader) under användningsförhållandena, användningen av cirka fem till tio år är mer än tillräckligt.
Det magnetiska stålet som används för handtaget är vanligtvis N35 Ndfeb magnetiskt stål.
Andra kontrollerade element av magnetiskt stål är remanens Br och maximal magnetisk energiprodukt BH(max).
1. Roterande typ:
Rotary Hall är vanligtvis inställd i mitten av rotationsaxeln, och magnetiseringsriktningen är radiell. När handtagsaxeln vrids genereras Hall-spänningen på grund av förändringen i magnetiskt flöde genom Hall-sensorn.
Fördelarna med denna användningsmetod är:
1. Bra spänningssymmetri;
2. Låg realiseringssvårighet;
3. I fallet med dubbelaxelhandtag är XY-axelinterferensen liten;
4. Det enaxliga handtaget tar mindre plats.
5. Låg magnetiseringssvårighet.
6. Rotationsvinkeln kan vara stor (mindre än 360 grader)
Nackdelarna är:
1. När det tvåaxliga handtaget är realiserat måste det uppta relativt stort utrymme;
2. Måste användas i mitten av rotationen.
Typ av rotation
1. Förskjutningsformel:
Vanligtvis är användningen av förskjutning också användningen av 3D Hall, såsom den första flaggan MT1531 chip. Vanligtvis är magnetiseringsriktningen radiell. På så sätt bör magnetfältstålet ha ett magnetiskt flöde på 0mT vid mittpunkten, vilket är maximalt på båda sidor. När magnetiskt stål magnetiseras på detta sätt är det nödvändigt att ha krav på magnetiseringslikformigheten på båda sidor av bandmagnetiskt stål eller krökt magnetiskt stål. Om den magnetiska storleken är annorlunda kommer den magnetiska flödesfördelningen att vara ojämn, vilket resulterar i den linjära avvikelsen av utsignalen på båda sidor när handtaget skakas.
Fördelar:
1. Strukturen är enkel och förskjutningshallpriset är lågt;
2. Strukturfasen av det magnetiska stålet som är svårt att placera i rotationscentrum är bättre;
3. Flexibel struktur, kan göra fler varianter av struktur.
Nackdelar:
1. Magnetiskt stål behöver magnetiserande symmetri;
2. I allmänhet är det mycket svårt att realisera linjär symmetri av förskjutningsformeln;
3. Rotationsvinkeln bör inte vara för stor; (vanligtvis inte över 40 grader)
——Bild från MLX90333-specifikationen
1. Svängtyp:
Oscillerande hall är en vanlig realisering av biaxial hall. Den realiserar dubbelaxlig eller till och med fleraxlig utmatning av ett chip genom att överlagra flera Hall-chips på en Hall-sensor.
Vanligtvis är riktningen för magnetisk stålmagnetisering axiell magnetisering, och den axiella magnetiseringen av cirkulärt magnetiskt stål kommer att avsevärt minska svårigheten med magnetisering.
——Bild från MLX90333-specifikationen
För Hall-sensorer, även om ett enda 3D-chip är dyrare än ett 2D-chip, är kostnaden för att implementera en biaxial utgång relativt lägre än att använda två 2D-chips.
Fördelar:
1. Magnetstål har låg magnetiseringssvårighet. Låg monteringssvårighet;
2. Biaxial realiseringskostnad är låg;
3. Handtagets horisontella utrymme är mindre upptaget;
Nackdelar:
1. Offsetkravet för Hall patch är relativt högt, och offsetkravet för SMT är i allmänhet inte mer än 1/2 av svetsfoten; Annars kommer det att uppstå en stor biaxiell interferens (det vill säga när man trycker på en axel har den andra axeln utgångsfluktuationer, 3D Hall kan inte undvika biaxiell interferens, men generellt anses det vara kvalificerat inom utgångsavvikelseintervallet)
2. Kostnaden för att uppnå enaxlig effekt kommer att bli högre;
3. Rotationsvinkeln är mindre än förskjutningstypen (i allmänhet inte mer än 30 grader);
HJ8-handtaget på Shanghai Chen Gong Electric Control använder 3D-hallen i MLX90333.
Ii. Faktorer som påverkar Hall-utgångsavvikelsen:
Generellt sett är de faktorer som påverkar Hall-utgångsspänningen huvudsakligen följande orsaker. Generellt sett, eftersom chipet sällan går dåligt, analyseras orsakerna till utspänningsavvikelsen huvudsakligen från de magnetiska flödesförändringarna:
1. Förändringar i magnetiskt flöde orsakade av magnetiskt stål:
Magnetiskt stål kommer att ändra det magnetiska flödet och därmed utspänningen på grund av olika anledningar, såsom:
A. Dåligt skydd leder till adsorption av järnpulver på det magnetiska stålet, vilket resulterar i en förändring av det magnetiska flödet.
B. Felaktig fixering av magnetiskt stål leder till att magnetiskt stål lossnar;
C. Dolda sprickor finns när magnetiskt stål nitas eller fixeras, vilket kan leda till sprickor och magnetiska flödesförändringar efter hög och låg temperatur.
Sätt att undvika:
Dessa faktorer behöver analyseras och förbättringsåtgärder följas upp i FEMA av design och process.
2. Magnetiska flödesförändringar orsakade av yttre orsaker:
I allmänhet förändras det magnetiska flödet genom Hall-chipet på grund av kretsfluktuationer orsakade av externt magnetfält eller spänningspåverkan, vilket påverkar utsignalen.
Sätt att undvika:
EMC-test utfördes och skärmskärm användes för att öka skärmningen av Hall-chipet.
3. Utgångsavvikelse orsakad av mekanisk struktur:
Efter långvarig användning leder ökningen av det mekaniska spelet till en ökning av utgångsavvikelsen.
Sätt att undvika:
Optimera den strukturella designen.
4. Extern ingångsspänning oreglerad strömförsörjning:
Generellt sett är den nominella Hall-ingångsspänningen för Hall-handtagstillverkaren 5.0Vdc±0.5V, men i praktiken hänvisar denna spänning till spänningen som driver Hall-sensorn. Om kalibreringsutgångsspänningsvärdet är 0.5~2.5V~4.5V utgång, ingångsspänning på 5.5V, kommer medianutgångsspänningen att vara 2.75V, utanför mediankraven. Därför uppmanas kunder i allmänhet att använda en reglerad strömförsörjning. Strömförsörjningsavvikelsen är i allmänhet ±0.2V med förhållanden inom det bästa området ±0.1V.
