Normalerweise gibt es bei der Verwendung von Joysticks zwei Möglichkeiten, ein analoges Ausgangssignal zu erhalten: Hallsensorform und Potentiometertyp.
1, Dieser Artikel soll das grundlegende Implementierungsprinzip des Hall-Sensors, die Unterschiede, Vor- und Nachteile zwischen 2D-Hall und 3D-Hall verdeutlichen.
Definition des Hall-Effekts:
Der Hall-Effekt wurde 1879 vom Physiker Hall entdeckt. Er definiert die Beziehung zwischen Magnetfeld und induzierter Spannung. Dieser Effekt unterscheidet sich vollständig von der herkömmlichen elektromagnetischen Induktion.
——Bild aus dem Internet
Wie oben gezeigt, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, der sich in einem Magnetfeld befindet (die schraffierte Oberfläche), übt das Magnetfeld eine Kraft auf die Elektronen im Leiter senkrecht zur Bewegungsrichtung der Elektronen aus, was zu einer Potentialdifferenz führt in beiden Richtungen senkrecht zum Leiter und zur magnetischen Induktivitätslinie.
Wenn ein Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung an den Halbleiter angelegt wird, werden Elektronen und Löcher im Halbleiter durch die Lorentzkraft in unterschiedliche Richtungen angezogen und aggregieren in unterschiedliche Richtungen. Zwischen den gesammelten Elektronen und Löchern wird ein elektrisches Feld erzeugt. Nachdem die elektrische Feldkraft und die Lorentzkraft ausgeglichen sind, aggregieren sie nicht mehr. In diesem Fall unterwirft das elektrische Feld die nachfolgenden Elektronen und Löcher der elektrischen Feldkraft und gleicht die durch das Magnetfeld erzeugte Lorentzkraft aus, so dass die nachfolgenden Elektronen und Löcher glatt und ohne Abweichung passieren können, was der Hall-Effekt ist . Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Seiten wird als Hall-Spannung bezeichnet.
Schematische Darstellung
Das Elektron erzeugt eine Potentialdifferenz im Magnetfeld, was zu einer Lorentzkraft führt
Lorentzkraft F=qE plus qvB/c
Also das Hallfeld
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
Anwendung des Hall-Effekts:
Obwohl der Hall-Effekt schon früher entdeckt wurde, wurde er durch die Entwicklung von Dauermagneten und elektronischen Komponenten eingeschränkt. Hallsensoren tauchten erstmals um die 1970er Jahre auf.
Der grundlegende Hall-Sensor ist als hochzuverlässiger integrierter Hall-Chip-Schaltkreis konstruiert, indem der Schaltkreis-Chip aus Silizium-Einkristallmaterial in eine luftdichte Gehäusestruktur gepackt wird.
Aufgrund von Schaltungsdesignproblemen erzeugt der zum ersten Mal verwendete Hall-Chip jedoch große Spannungsänderungen aufgrund von Temperaturdrift, die in der tatsächlichen industriellen Umgebung nicht angewendet werden können.
Später, bis etwa in die 1990er Jahre, verwendeten einige Unternehmen wie MLX Temperaturkompensationsschaltungen, um den Einfluss temperaturbezogener Parameter in der Berechnungsformel für das Magnetfeld auszugleichen, sodass sich das Magnetfeld nicht mit der Temperatur ändert. Darüber hinaus hat der Hall-Chip einen programmierbaren Betrieb realisiert, der die vom Hall-Chip eingestellte analoge Ausgabe nicht an die Verwendungsanforderungen anpassen muss, und erweitert das Verwendungsszenario und den Anwendungsbereich des Hall-Chips erheblich.
Hall-Chips wurden in Industrie- und Fahrzeugumgebungen weit verbreitet, um die Parameter der Verschiebung und des Drehwinkels zu beurteilen und sie in analoge Ausgänge umzuwandeln.
Nach der MLX Company beteiligten sich viele IC-Hersteller im In- und Ausland an der Entwicklung von Hall-Chips. Der derzeit verwendete herkömmliche Hall-Chip besteht normalerweise aus mehreren Hall-Chips, die zur Redundanzbeurteilung übereinander angeordnet sind, was die Auflösung und Genauigkeit der analogen Ausgabe erheblich verbessert.
Verwendung von Hall im Griff:
Frühe Industriegriffe erreichten eine analoge Ausgabe durch die rotierende Struktur des Griffs, die die Kugel drückte, um das Hydraulikventil anzutreiben. Es wird Mängel in der intelligenten Steuerung und im logischen Design geben, und die Hydraulikvorrichtung wird unvermeidlich ein Ölleckphänomen aufweisen, das nicht in einer Szene mit hohen Anforderungen an den Verschmutzungsgrad oder in einer Szene verwendet werden kann, die eine saubere Umgebung erfordert.
Hydraulische Verwendung der Geschossform
——Bild aus dem Internet
Hall wurde erstmals in Joysticks des deutschen Herstellers Danfoss verwendet. Seine Hauptprodukte sind JS1, JS1000 und so weiter.
Hall-Chip-Hersteller werden häufig im Griff verwendet, darunter MLX, TI, McGahn und so weiter.
Je nach Verwendungsmethoden gibt es Unterschiede zwischen der 2D-Ebenenhalle und der 3D-Halle.
Unterschied zwischen 2D-Halle und 3D-Halle:
Normalerweise wird die Verwendung von Hall im Griff in Dreh- und Verdrängungs- und Schwenkbewegungen unterteilt. Der Rotationstyp ist 2D-Hall, und der Verschiebungs- und Schwenktyp ist 3D-Hall.
* Beachten Sie die Verwendung von Magnetstahl:
Unabhängig von der Hall-Form gibt es zwei kritische Steuerungsanforderungen, um die Stabilität der Hall-Arbeit zu erreichen.
Der erste ist der Abstand zwischen dem magnetischen Stahl und dem Hall-Zentrum, der je nach Hall-Chip-Modell variiert. Es ist im Allgemeinen etwa 1 ~ 5 mm.
Die zweite ist die Magnetisierungsgröße von Magnetstahl, die je nach Hall-Chip-Modell unterschiedlich ist, im Allgemeinen in Dutzenden von mT bis Hunderten von mT.
Wenn einer der beiden Parameter außerhalb des Bereichs liegt oder die Abweichung groß ist, führt dies zu einer Instabilität des Hall-Chips, was zu einer Ausgangsmutation oder Ausgangsabweichung führt.
Darüber hinaus verursacht magnetischer Stahl im Allgemeinen keine Ausgangsabweichung aufgrund von Entmagnetisierung während seines Langzeitgebrauchs, und sein Schlüsselparameter ist die Koerzitivfeldstärke von magnetischem Stahl. Die Koerzitivkraft bezieht sich auf die magnetische Induktionsintensität B, die nicht auf Null zurückkehrt, wenn das externe Magnetfeld nach der Sättigungsmagnetisierung magnetischer Materialien auf Null zurückkehrt. Nur durch Hinzufügen eines Magnetfelds einer bestimmten Größe in der entgegengesetzten Richtung des ursprünglichen Magnetisierungsfelds kann die magnetische Induktionsintensität auf Null zurückkehren, was als Koerzitivmagnetfeld oder Koerzitivkraft bezeichnet wird.
Im Allgemeinen erfordert die Koerzitivfeldstärke von magnetischem Stahl Hcb größer oder gleich 850 KA/m; Eigene Koerzitivfeldstärke Hcj Größer oder gleich 955 KA/m. Der Haupteinflussfaktor ist das Material von Magnetstahl. Im Allgemeinen ist die Koerzitivkraft von Ferritmaterial gering, was zu einer langen Entmagnetisierung von Magnetstahl führt. Und die Koerzitivkraft von NdFeb-Material ist größer, normalerweise nicht lang anhaltende hohe Temperatur (über 60 ~ 80 Grad) unter den Nutzungsbedingungen, die Verwendung von etwa fünf bis zehn Jahren ist mehr als genug.
Der für den Griff verwendete Magnetstahl ist in der Regel N35 Ndfeb Magnetstahl.
Andere kontrollierte Elemente von Magnetstahl sind die Remanenz Br und das maximale magnetische Energieprodukt BH(max).
1. Rotationstyp:
Die Rotationshalle ist normalerweise in der Mitte der Rotationsachse angeordnet, und die Magnetisierungsrichtung ist radial. Wenn die Griffwelle gedreht wird, wird die Hall-Spannung aufgrund der Änderung des magnetischen Flusses durch den Hall-Sensor erzeugt.
Die Vorteile dieser Verwendungsart sind:
1. Gute Spannungssymmetrie;
2. Geringe Realisierungsschwierigkeit;
3. Bei einem Doppelwellengriff ist die Interferenz der XY-Achse gering;
4. Der einachsige Griff nimmt weniger Platz ein.
5. Geringe Magnetisierungsschwierigkeit.
6. Drehwinkel kann groß sein (weniger als 360 Grad)
Die Nachteile sind:
1. Wenn der zweiachsige Griff realisiert wird, muss er relativ viel Platz einnehmen;
2. Muss im Rotationszentrum verwendet werden.
Art der Drehung
1. Verschiebungsformel:
Normalerweise ist die Verwendung von Verschiebung auch die Verwendung von 3D-Hall, wie der erste Flag MT1531-Chip. Normalerweise ist die Magnetisierungsrichtung radial. Auf diese Weise sollte der Magnetfeldstahl im Mittelpunkt einen magnetischen Fluss von 0mT haben, der auf beiden Seiten maximal ist. Wenn magnetischer Stahl auf diese Weise magnetisiert wird, müssen Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Magnetisierung auf beiden Seiten von streifenförmigem magnetischem Stahl oder gebogenem magnetischem Stahl gestellt werden. Wenn die magnetische Größe unterschiedlich ist, ist die Magnetflussverteilung ungleichmäßig, was zu einer linearen Abweichung der Ausgabe auf beiden Seiten führt, wenn der Griff geschüttelt wird.
Vorteile:
1. Die Struktur ist einfach und der Preis der Verdrängungshalle ist niedrig;
2. Die schwer im Rotationszentrum zu platzierende Gefügephase des Magnetstahls ist besser;
3. Flexible Struktur, kann mehr Strukturvarianten ausführen.
Nachteile:
1. Magnetischer Stahl benötigt Magnetisierungssymmetrie;
2. Im Allgemeinen ist es sehr schwierig, eine lineare Symmetrie der Verschiebungsformel zu realisieren;
3. Der Drehwinkel sollte nicht zu groß sein; (normalerweise nicht mehr als 40 Grad)
——Bild aus MLX90333-Spezifikation
1. Schaukeltyp:
Oscilating Hall ist eine übliche Realisierung von zweiachsigem Hall. Es realisiert eine zweiachsige oder sogar mehrachsige Ausgabe eines Chips durch Überlagerung mehrerer Hall-Chips auf einem Hall-Sensor.
Normalerweise ist die Richtung der Magnetisierung von magnetischem Stahl eine axiale Magnetisierung, und die axiale Magnetisierung von kreisförmigem magnetischem Stahl verringert die Schwierigkeit der Magnetisierung erheblich.
——Bild aus MLX90333-Spezifikation
Obwohl ein einzelner 3D-Chip bei Hall-Sensoren teurer ist als ein 2D-Chip, sind die Kosten für die Implementierung eines biaxialen Ausgangs relativ niedriger als bei der Verwendung von zwei 2D-Chips.
Vorteile:
1. Magnetischer Stahl hat eine geringe Magnetisierungsschwierigkeit. Geringe Montageschwierigkeiten;
2. Die Kosten für die biaxiale Realisierung sind gering;
3. Der horizontale Platz des Griffs ist weniger besetzt;
Nachteile:
1. Die Offset-Anforderung von Hall-Patch ist relativ hoch und die Offset-Anforderung von SMT beträgt im Allgemeinen nicht mehr als die Hälfte des Schweißfußes. Andernfalls kommt es zu einer großen biaxialen Interferenz (d. h., wenn eine Achse gedrückt wird, weist die andere Achse Ausgangsschwankungen auf, 3D-Hall kann biaxiale Interferenzen nicht vermeiden, wird jedoch im Allgemeinen innerhalb des Ausgangsabweichungsbereichs als qualifiziert angesehen).
2. Die Kosten zum Erreichen einer einachsigen Ausgabe werden höher sein;
3. Der Rotationswinkel ist kleiner als der Verschiebungstyp (im Allgemeinen nicht mehr als 30 Grad);
Der HJ8-Griff von Shanghai Chen Gong Electric Control verwendet die 3D-Halle von MLX90333.
II. Faktoren, die die Hall-Ausgangsabweichung beeinflussen:
Im Allgemeinen sind die Faktoren, die die Hall-Ausgangsspannung beeinflussen, hauptsächlich die folgenden Gründe. Da der Chip im Allgemeinen selten schlecht wird, werden die Ursachen der Abweichung der Ausgangsspannung hauptsächlich anhand der Änderungen des Magnetflusses analysiert:
1. Magnetflussänderungen durch Magnetstahl:
Magnetischer Stahl ändert den magnetischen Fluss und damit die Ausgangsspannung aus verschiedenen Gründen, wie z. B.:
A. Schlechter Schutz führt zur Adsorption von Eisenpulver auf dem magnetischen Stahl, was zu einer Änderung des magnetischen Flusses führt.
B. Unsachgemäße Befestigung von Magnetstahl führt zum Lösen von Magnetstahl;
C. Versteckte Risse entstehen, wenn magnetischer Stahl genietet oder befestigt wird, was zu Rissen und Magnetflussänderungen nach hohen und niedrigen Temperaturen führen kann.
Möglichkeiten zu vermeiden:
Diese Faktoren müssen analysiert und Verbesserungsmaßnahmen in der FEMA des Designs und Prozesses verfolgt werden.
2. Magnetflussänderungen durch äußere Ursachen:
Im Allgemeinen ändert sich der Magnetfluss durch den Hall-Chip aufgrund von Schaltungsschwankungen, die durch ein externes Magnetfeld oder einen Spannungseinfluss verursacht werden, wodurch der Ausgang beeinflusst wird.
Möglichkeiten zu vermeiden:
Es wurde ein EMV-Test durchgeführt, und die Abschirmung wurde verwendet, um die Abschirmung des Hall-Chips zu erhöhen.
3. Ausgangsabweichung verursacht durch mechanische Struktur:
Nach längerem Gebrauch führt die Erhöhung des mechanischen Spiels zu einer Erhöhung der Ausgangsabweichung.
Möglichkeiten zu vermeiden:
Optimieren Sie das strukturelle Design.
4. Externe Eingangsspannung ungeregelte Stromversorgung:
Im Allgemeinen beträgt die nominale Hall-Eingangsspannung des Herstellers des Hall-Griffs 5,0Vdc±0,5V, aber in der Praxis bezieht sich diese Spannung auf die Spannung, die den Hall-Sensor antreibt. Wenn der Kalibrierungsausgangsspannungswert 0,5~2,5 V~4,5 V Ausgangsspannung, Eingangsspannung 5,5 V beträgt, beträgt die mittlere Ausgangsspannung 2,75 V und liegt damit außerhalb des Bereichs der mittleren Anforderungen. Daher wird den Kunden im Allgemeinen empfohlen, ein geregeltes Netzteil zu verwenden. Die Spannungsversorgungsabweichung beträgt im Allgemeinen ±0,2 V mit Bedingungen im besten Bereich von ±0,1 V.