Normalt i processen med joystick-brug er der to måder at opnå analogt udgangssignal på: Hall-sensorform og potentiometertype.
1, Denne artikel har til formål at afklare det grundlæggende implementeringsprincip for Hall sensor, forskellene, fordele og ulemper mellem 2D Hall og 3D Hall.
Definition af Hall Effect:
Hall-effekten blev opdaget af fysiker Hall i 1879. Den definerer forholdet mellem magnetfelt og induceret spænding. Denne effekt er helt anderledes end traditionel elektromagnetisk induktion.
——Billede fra internettet
Som vist ovenfor, når en elektrisk strøm passerer gennem en leder placeret i et magnetfelt (den skraverede overflade), udøver magnetfeltet en kraft på elektronerne i lederen vinkelret på elektronernes bevægelsesretning, hvilket resulterer i en potentialforskel i begge retninger vinkelret på lederen og den magnetiske induktanslinje.
Når et magnetfelt vinkelret på strømretningen påføres halvlederen, vil elektroner og huller i halvlederen blive tiltrukket af Lorentz kraft i forskellige retninger og aggregere i forskellige retninger. Elektrisk felt vil blive genereret mellem de indsamlede elektroner og huller. Efter at den elektriske feltkraft og Lorentz-kraften er afbalanceret, vil de ikke længere aggregere. I dette tilfælde vil det elektriske felt gøre de efterfølgende elektroner og huller udsat for den elektriske feltkraft og afbalancere Lorentz-kraften genereret af magnetfeltet, så de efterfølgende elektroner og huller kan passere jævnt igennem uden afvigelse, hvilket er Hall-effekten . Spændingsforskellen mellem de to sider kaldes Hall-spænding.
Skematisk diagram
Elektronen skaber en potentialforskel i magnetfeltet, hvilket resulterer i en Lorentz-kraft
Lorentz kraft F=qE plus qvB/c
Altså Hall-feltet
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Anvendelse af Hall Effect:
Selvom Hall-effekten blev opdaget tidligere, var den begrænset af udviklingen af konstante magneter og elektroniske komponenter. Hall-sensorer dukkede først op omkring 1970'erne.
Den grundlæggende Hall-sensor er designet som et yderst pålideligt Hall-chip integreret kredsløb ved at pakke kredsløbschippen af siliciumenkeltkrystalmateriale ind i en lufttæt emballagestruktur.
Men på grund af kredsløbsdesignproblemer vil Hall-chip, der bruges for første gang, producere store spændingsændringer på grund af temperaturdrift, som ikke kan anvendes i det faktiske industrielle miljø.
Senere, indtil omkring 1990'erne, brugte nogle virksomheder, såsom MLX, temperaturkompensationskredsløb til at udligne indflydelsen af temperaturrelaterede parametre i magnetfeltberegningsformlen, så magnetfeltet ikke ændrer sig med temperaturen. Desuden har Hall-chippen realiseret programmerbar drift, som ikke behøver at tilpasse det analoge output, som Hall-chippen indstiller til brugskravene, og udvider Hall-chippens brugsscenarie og omfang.
Hall-chip begyndte at blive meget brugt i industri- og køretøjsmiljøer, brugt til at bedømme parametrene for forskydning og rotationsvinkel og konvertere dem til analog udgang.
Efter MLX Company deltog mange IC-producenter i ind- og udland i udviklingen af Hall-chip. Den konventionelle Hall-chip, der bruges nu, er normalt lavet af flere Hall-chips overlejret for redundansvurdering, hvilket i høj grad forbedrer opløsningen og nøjagtigheden af analogt output.
Brug af Hall i håndtaget:
Tidlige industrielle håndtag opnåede analog udgang gennem den roterende struktur af håndtaget, som skubbede kuglen for at drive den hydrauliske ventil. Der vil være mangler i intelligent styring og logisk design, og den hydrauliske enhed vil uundgåeligt have olielækagefænomener, som ikke kan bruges på scenen med høje forureningsniveaukrav eller på scenen, der kræver et rent miljø.
Hydraulisk brug af kugleformen
——Billede fra internettet
Hall blev først brugt i joysticks af Danfoss, en tysk producent. Dens vigtigste produkter er JS1, JS1000 og så videre.
Hall chip fabrikanter er almindeligt anvendt i håndtaget, herunder MLX, TI, McGahn og så videre.
Der er forskelle mellem 2D-planhal og 3D-hal i henhold til forskellige brugsmetoder.
Forskellen mellem 2D Hall og 3D Hall:
Normalt er brugen af Hall i håndtaget opdelt i rotation og forskydning og swing. Den roterende type er 2D Hall, og forskydnings- og svingtypen er 3D Hall.
* Bemærk brugen af magnetisk stål:
Uanset Hallens form er der to kritiske kontrolkrav for at opnå stabiliteten af Hallens arbejde.
Den første er afstanden mellem det magnetiske stål og Hall-centret, som varierer alt efter de forskellige Hall-chipmodeller. Det er generelt omkring 1 ~ 5 mm.
Den anden er magnetiseringsstørrelsen af magnetisk stål, ifølge Hall-chipmodellen er den anderledes, generelt i snesevis af mT til hundredvis af mT.
Hvis en af de to parametre er uden for rækkevidde, eller afvigelsen er stor, vil det forårsage Hall-chippens ustabilitet, hvilket resulterer i outputmutation eller outputafvigelse.
Derudover vil magnetisk stål generelt ikke forårsage outputafvigelse på grund af demagnetisering under dets langvarige brug, og dets nøgleparameter er koercitiviteten af magnetisk stål. Koercivitet refererer til, at den magnetiske induktionsintensitet B ikke vender tilbage til nul, når det eksterne magnetfelt vender tilbage til nul efter mætningsmagnetisering af magnetiske materialer. Kun ved at tilføje et magnetfelt af en vis størrelse i modsat retning af det oprindelige magnetiseringsfelt kan den magnetiske induktionsintensitet vende tilbage til nul, hvilket kaldes tvangsmagnetisk felt eller tvangskraft.
Generelt kræver koercitiviteten af magnetisk stål Hcb Større end eller lig med 850KA/m; Indre koercivitet Hcj Større end eller lig med 955KA/m. Den væsentligste indflydelsesfaktor er materialet af magnetisk stål. Generelt er koercitiviteten af ferritmateriale lille, hvilket vil føre til afmagnetisering af magnetisk stål i lang tid. Og tvangsevnen for NdFeb-materiale er større, normalt ikke-langsigtet høj temperatur (over 60 ~ 80 grader) under brugsbetingelserne, brugen af omkring fem til ti år er mere end nok.
Det magnetiske stål, der bruges til håndtaget, er normalt N35 Ndfeb magnetisk stål.
Andre kontrollerede elementer af magnetisk stål er remanens Br og maksimalt magnetisk energiprodukt BH(max).
1. Roterende type:
Rotary Hall er normalt sat i midten af rotationsaksen, og magnetiseringsretningen er radial. Når håndtaget drejes, genereres Hall-spændingen på grund af ændringen i magnetisk flux gennem Hall-sensoren.
Fordelene ved denne brugsmetode er:
1. God spændingssymmetri;
2. Lav realiseringsbesvær;
3. I tilfælde af dobbeltakselhåndtag er XY-akseinterferensen lille;
4. Det enaksede håndtag fylder mindre.
5. Lav magnetiseringsbesvær.
6. Rotationsvinklen kan være stor (mindre end 360 grader)
Ulemperne er:
1. Når dobbeltaksehåndtaget er realiseret, skal det optage relativt stor plads;
2. Skal bruges i centrum af rotationen.
Type af rotation
1. Formel for forskydning:
Normalt er brugen af forskydning også brugen af 3D Hall, såsom den første flag MT1531 chip. Normalt er magnetiseringsretningen radial. På denne måde skulle magnetfeltstålet have en magnetisk flux på 0mT ved midtpunktet, hvilket er maksimalt på begge sider. Når magnetisk stål magnetiseres på denne måde, er det nødvendigt at stille krav til magnetiseringsensartetheden på begge sider af båndmagnetisk stål eller buet magnetisk stål. Hvis den magnetiske størrelse er forskellig, vil den magnetiske fluxfordeling være ujævn, hvilket resulterer i den lineære afvigelse af output på begge sider, når håndtaget rystes.
Fordele:
1. Strukturen er enkel, og forskydningshalprisen er lav;
2. Den strukturelle fase af det magnetiske stål, der er vanskeligt at placere i rotationscentret, er bedre;
3. Fleksibel struktur, kan gøre flere varianter af struktur.
Ulemper:
1. Magnetisk stål har brug for magnetiserende symmetri;
2. Generelt er det meget vanskeligt at realisere lineær symmetri af forskydningsformlen;
3. Rotationsvinklen bør ikke være for stor; (normalt ikke over 40 grader)
——Billede fra MLX90333-specifikationen
1. Gyngetype:
Oscillerende Hall er en almindelig realisering af biaksial hall. Den realiserer to-akse eller endda multi-akse output af en chip ved at overlejre flere Hall-chips på en Hall-sensor.
Normalt er retningen af magnetisk stålmagnetisering aksial magnetisering, og den aksiale magnetisering af cirkulært magnetisk stål vil i høj grad reducere vanskeligheden ved magnetisering.
——Billede fra MLX90333-specifikationen
For Hall-sensorer, selvom en enkelt 3D-chip er dyrere end en 2D-chip, er omkostningerne ved at implementere et biaksialt output relativt lavere end ved brug af to 2D-chips.
Fordele:
1. Magnetisk stål har lav magnetiseringsbesvær. Lav monteringsbesvær;
2. Biaksiale realiseringsomkostninger er lave;
3. Håndtagets vandrette rum er mindre optaget;
Ulemper:
1. Offsetkravet til Hall patch er relativt højt, og offsetkravet til SMT er generelt ikke mere end 1/2 af svejsefoden; Ellers vil der være en stor biaksial interferens (det vil sige, når man skubber en akse, har den anden akse output-fluktuationer, 3D Hall kan ikke undgå biaksial interferens, men generelt anses det for at være kvalificeret inden for output-afvigelsesområdet)
2. Omkostningerne ved at opnå enakset output vil være højere;
3. Rotationsvinklen er mindre end forskydningstypen (generelt ikke mere end 30 grader);
HJ8-håndtaget på Shanghai Chen Gong Electric Control bruger 3D Hall of MLX90333.
Ii. Faktorer, der påvirker Hall-outputafvigelse:
Generelt er de faktorer, der påvirker Hall-udgangsspændingen, hovedsageligt følgende årsager. Generelt set, da chippen sjældent går dårligt, analyseres årsagerne til udgangsspændingsafvigelse hovedsageligt fra de magnetiske fluxændringer:
1. Ændringer i magnetisk flux forårsaget af magnetisk stål:
Magnetisk stål vil ændre den magnetiske flux og dermed udgangsspændingen på grund af forskellige årsager, såsom:
A. Dårlig beskyttelse fører til adsorption af jernpulver på det magnetiske stål, hvilket resulterer i ændring af magnetisk flux.
B. Ukorrekt fastgørelse af magnetisk stål fører til, at magnetisk stål løsner sig;
C. Skjulte revner eksisterer, når magnetisk stål nittes eller fikseres, hvilket kan føre til revner og magnetiske fluxændringer efter høj og lav temperatur.
Måder at undgå:
Disse faktorer skal analyseres og forbedringstiltag følges op i FEMA af design og proces.
2. Magnetiske fluxændringer forårsaget af eksterne årsager:
Generelt ændres den magnetiske flux gennem Hall-chippen på grund af kredsløbsfluktuationer forårsaget af eksternt magnetfelt eller spændingspåvirkning, hvilket påvirker outputtet.
Måder at undgå:
EMC test blev udført, og skjold skjold blev brugt til at øge afskærmningen af Hall chip.
3. Outputafvigelse forårsaget af mekanisk struktur:
Efter langvarig brug fører stigningen i den mekaniske frigang til stigningen i outputafvigelsen.
Måder at undgå:
Optimer det strukturelle design.
4. Ekstern indgangsspænding ikke-reguleret strømforsyning:
Generelt set er den nominelle Hall-indgangsspænding for Hall-håndtagets producent 5.0Vdc±0.5V, men i praksis refererer denne spænding til den spænding, der driver Hall-sensoren. Hvis kalibreringsudgangsspændingsværdien er 0.5~2.5V~4.5V output, input 5.5V spænding, så vil medianudgangsspændingen være 2.75V, uden for mediankravene. Derfor bliver kunder generelt bedt om at bruge en reguleret strømforsyning. Strømforsyningsafvigelsen er generelt ±0.2V med forhold i det bedste område på ±0.1V.