Обычно в процессе использования джойстика существует два способа получения аналогового выходного сигнала: форма датчика Холла и тип потенциометра.
1. Эта статья призвана прояснить основной принцип реализации датчика Холла, различия, преимущества и недостатки между 2D- и 3D-датчиками Холла.
Определение эффекта Холла:
Эффект Холла был открыт физиком Холлом в 1879 году. Он определяет взаимосвязь между магнитным полем и наведенным напряжением. Этот эффект полностью отличается от традиционной электромагнитной индукции.
—— Изображение из Интернета
Как показано выше, когда электрический ток проходит через проводник, находящийся в магнитном поле (заштрихованная поверхность), магнитное поле действует на электроны в проводнике с силой, перпендикулярной направлению движения электронов, в результате чего возникает разность потенциалов в обоих направлениях, перпендикулярных проводнику и линии магнитной индукции.
Когда к полупроводнику прикладывается магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, электроны и дырки в полупроводнике будут притягиваться силой Лоренца в разных направлениях и собираться в разных направлениях. Между собравшимися электронами и дырками будет генерироваться электрическое поле. После того, как сила электрического поля и сила Лоренца уравновесятся, они больше не будут объединяться. В этом случае электрическое поле будет заставлять последующие электроны и дырки подчиняться силе электрического поля и уравновешивать силу Лоренца, создаваемую магнитным полем, так что последующие электроны и дырки могут проходить гладко без отклонения, что является эффектом Холла. . Разность потенциалов между двумя сторонами называется напряжением Холла.
Принципиальная диаграмма
Электрон создает разность потенциалов в магнитном поле, в результате чего возникает сила Лоренца.
Сила Лоренца F=qE плюс qvB/c
Итак, поле Холла
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Применение эффекта Холла:
Хотя эффект Холла был открыт раньше, он был ограничен развитием постоянных магнитов и электронных компонентов. Датчики Холла впервые появились примерно в 1970-х годах.
Базовый датчик Холла выполнен в виде высоконадежной интегральной схемы на основе микросхемы Холла путем упаковки микросхемы из монокристаллического кремния в герметичную упаковочную структуру.
Однако из-за проблем с схемотехникой микросхема Холла, используемая впервые, будет производить большие изменения напряжения из-за температурного дрейфа, что невозможно применить в реальной промышленной среде.
Позже, примерно до 1990-х годов, некоторые компании, такие как MLX, использовали схемы компенсации температуры, чтобы компенсировать влияние параметров, связанных с температурой, в формуле расчета магнитного поля, чтобы магнитное поле не менялось с температурой. Кроме того, микросхема Холла реализует программируемую работу, которая не требует адаптации аналогового выхода, установленного микросхемой Холла, к требованиям использования, что значительно расширяет сценарий использования и область применения микросхемы Холла.
Чип Холла начал широко использоваться в промышленности и транспортных средствах, используется для оценки параметров смещения и угла поворота и преобразования их в аналоговый выход.
Вслед за компанией MLX многие производители интегральных схем в стране и за рубежом присоединились к разработке микросхем Холла. Обычный чип Холла, используемый в настоящее время, обычно состоит из нескольких чипов Холла, наложенных друг на друга для оценки избыточности, что значительно улучшает разрешение и точность аналогового вывода.
Использование Холла в ручке:
Ранние промышленные рукоятки обеспечивали аналоговый выходной сигнал за счет вращающейся конструкции рукоятки, которая толкала пулю для привода гидравлического клапана. Будут недостатки в интеллектуальном управлении и логическом дизайне, а гидравлическое устройство неизбежно будет иметь явление утечки масла, которое нельзя использовать на месте с высокими требованиями к уровню загрязнения или на месте, требующем чистой окружающей среды.
Гидравлическое использование формы пули
—— Изображение из Интернета
Холл был впервые использован в джойстиках немецким производителем Danfoss. Его основными продуктами являются JS1, JS1000 и так далее.
В ручке обычно используются производители чипов Холла, включая MLX, TI, McGahn и так далее.
Существуют различия между 2D-залом и 3D-залом в зависимости от различных методов использования.
Разница между 2D-залом и 3D-залом:
В норме использование Холла в рукояти делится на поворотное и вытесняющее и поворотное. Роторный тип - 2D Hall, а тип перемещения и поворота - 3D Hall.
* Обратите внимание на использование магнитной стали:
Независимо от формы зала, есть два критических требования к контролю для достижения стабильности работы зала.
Во-первых, это расстояние между магнитной сталью и центром Холла, которое варьируется в зависимости от модели чипа Холла. Обычно это около 1 ~ 5 мм.
Во-вторых, размер намагниченности магнитной стали, согласно модели чипа Холла, отличается, как правило, от десятков мТл до сотен мТл.
Если какой-либо из двух параметров выходит за пределы допустимого диапазона или отклонение велико, это вызовет нестабильность микросхемы Холла, что приведет к выходным мутациям или выходным отклонениям.
Кроме того, магнитная сталь, как правило, не вызывает отклонений на выходе из-за размагничивания при длительном использовании, а ее ключевым параметром является коэрцитивная сила магнитной стали. Коэрцитивная сила относится к интенсивности магнитной индукции B, которая не возвращается к нулю, когда внешнее магнитное поле возвращается к нулю после намагничивания насыщения магнитных материалов. Только путем добавления магнитного поля определенного размера в направлении, противоположном исходному полю намагниченности, интенсивность магнитной индукции может вернуться к нулю, что называется коэрцитивным магнитным полем или коэрцитивной силой.
Как правило, для коэрцитивной силы магнитной стали требуется значение Hcb больше или равное 850 кА/м; Внутренняя коэрцитивная сила Hcj Больше или равна 955 кА/м. Основным влияющим фактором является материал магнитной стали. Как правило, коэрцитивная сила ферритового материала мала, что приводит к размагничиванию магнитной стали в течение длительного времени. И коэрцитивность материала NdFeb больше, обычно при непродолжительной высокой температуре (выше 60 ~ 80 градусов) в условиях использования более чем достаточно использования от пяти до десяти лет.
Магнитная сталь, используемая для рукоятки, обычно представляет собой магнитную сталь N35 Ndfeb.
Другими контролируемыми элементами магнитной стали являются остаточная намагниченность Br и максимальное произведение магнитной энергии BH(max).
1. Ротационный тип:
Поворотный зал обычно устанавливают в центре оси вращения, а направление намагничивания — радиальное. При повороте вала рукоятки создается напряжение Холла за счет изменения магнитного потока через датчик Холла.
Преимуществами такого способа использования являются:
1. Хорошая симметрия напряжения;
2. Низкая сложность реализации;
3. В случае рукоятки с двойным валом помехи по оси XY невелики;
4. Одноосная ручка занимает меньше места.
5. Низкая сложность намагничивания.
6. Угол поворота может быть большим (менее 360 градусов).
Недостатки:
1. Когда реализуется двухосная ручка, она должна занимать относительно много места;
2. Должен использоваться в центре вращения.
Тип вращения
1. Формула смещения:
Обычно использование смещения также является использованием 3D Hall, например, чипа MT1531 первого флага. Обычно направление намагниченности радиальное. Таким образом, сталь с магнитным полем должна иметь магнитный поток 0 мТл в средней точке, максимальный с обеих сторон. При намагничивании магнитной стали таким способом необходимо иметь требования к равномерности намагничивания с обеих сторон полосовой магнитной стали или гнутой магнитной стали. Если магнитный размер отличается, распределение магнитного потока будет неравномерным, что приведет к линейному отклонению выходного сигнала с обеих сторон при встряхивании рукоятки.
Преимущества:
1. Структура проста, а цена зала вытеснения низкая;
2. Структурная фаза магнитной стали, которую трудно разместить в центре вращения, лучше;
3. Гибкая структура, можно сделать больше вариантов структуры.
Недостатки:
1. Магнитная сталь нуждается в намагничивающей симметрии;
2. В общем случае очень сложно реализовать линейную симметрию формулы перемещения;
3. Угол поворота не должен быть слишком большим; (обычно не более 40 градусов)
—— Изображение из спецификации MLX90333
1. Тип качания:
Осциллирующий зал - это обычная реализация двухосного зала. Он реализует двухосевой или даже многоосевой вывод одного чипа путем наложения нескольких чипов Холла на датчик Холла.
Обычно направлением намагничивания магнитной стали является осевое намагничивание, а осевое намагничивание круглой магнитной стали значительно снижает сложность намагничивания.
—— Изображение из спецификации MLX90333
Для датчиков Холла, хотя один 3D-чип дороже, чем 2D-чип, стоимость реализации двуосного вывода относительно ниже, чем использование двух 2D-чипов.
Преимущества:
1. Магнитная сталь имеет низкую сложность намагничивания. Низкая сложность сборки;
2. Низкая стоимость двухосной реализации;
3. Горизонтальное пространство ручки меньше занято;
Недостатки:
1. Требование смещения заплатки Холла относительно велико, а требование смещения SMT обычно не превышает 1/2 сварочной лапы; В противном случае будут большие двухосные помехи (то есть при нажатии одной оси другая ось имеет выходные колебания, 3D Hall не может избежать двухосных помех, но обычно в пределах диапазона выходного отклонения считается квалифицированным)
2. Стоимость достижения одноосного выхода будет выше;
3. Угол поворота меньше, чем у типа смещения (обычно не более 30 градусов);
Ручка HJ8 от Shanghai Chen Gong Electric Control использует 3D Hall MLX90333.
II. Факторы, влияющие на выходное отклонение Холла:
Вообще говоря, факторы, влияющие на выходное напряжение Холла, в основном следующие. Вообще говоря, поскольку микросхема редко выходит из строя, причины отклонения выходного напряжения в основном анализируются по изменению магнитного потока:
1. Изменения магнитного потока, вызванные магнитной сталью:
Магнитная сталь изменяет магнитный поток и, следовательно, выходное напряжение по разным причинам, например:
А. Плохая защита приводит к адсорбции железного порошка на магнитной стали, что приводит к изменению магнитного потока.
B. Неправильная фиксация магнитной стали приводит к ослаблению магнитной стали;
C. Скрытые трещины возникают, когда магнитная сталь склепана или закреплена, что может привести к трещинам и изменениям магнитного потока после высокой и низкой температуры.
Способы избежать:
Эти факторы должны быть проанализированы, а меры по улучшению должны быть приняты в FEMA проекта и процесса.
2. Изменения магнитного потока, вызванные внешними причинами:
Как правило, магнитный поток через микросхему Холла изменяется из-за колебаний цепи, вызванных внешним магнитным полем или воздействием напряжения, что влияет на выходной сигнал.
Способы избежать:
Было проведено испытание на электромагнитную совместимость, и для увеличения экранирования микросхемы Холла был использован защитный экран.
3. Выходное отклонение, вызванное механической структурой:
После длительного использования увеличение механического зазора приводит к увеличению выходного отклонения.
Способы избежать:
Оптимизировать конструкцию конструкции.
4. Нерегулируемый источник питания с внешним входным напряжением:
Вообще говоря, номинальное входное напряжение Холла производителя рукоятки Холла составляет 5,0В постоянного тока ±0,5 В, но на практике это напряжение относится к напряжению, которое приводит в действие датчик Холла. Если значение выходного напряжения калибровки составляет 0,5~2,5 В~4,5 В на выходе, входное напряжение 5,5 В, то среднее выходное напряжение будет 2,75 В, что выходит за пределы диапазона средних требований. Поэтому клиентам обычно рекомендуется использовать регулируемый источник питания. Отклонение источника питания обычно составляет ±0,2 В при оптимальных условиях ±0,1 В.