Cómo lograr una detección de posición rápida, precisa y de bajo consumo para el control en tiempo real

El uso de la detección de posición tridimensional (3D) para el control en tiempo real está creciendo en una variedad de aplicaciones de la Industria 4.0, que van desde los robots industriales y los sistemas automatizados hasta los robots aspiradores y la seguridad. Los sensores de posición de efecto Hall en 3D son una buena opción para estas aplicaciones, ya que proporcionan una alta repetibilidad y fiabilidad, y también pueden utilizarse con ventanas, puertas y recintos para la detección de intrusiones o manipulaciones magnéticas.

Aun así, el diseño de un sistema de detección 3D eficaz y seguro mediante un sensor de efecto Hall puede ser un proceso complejo y que requiere mucho tiempo. El sensor de efecto Hall debe interactuar con un microcontrolador (MCU) lo suficientemente potente como para actuar como motor de cálculo de ángulos y realizar el promedio de las mediciones, así como la compensación de ganancia y desplazamiento para determinar las orientaciones de los imanes y las posiciones en 3D. La unidad de microcontrolador también tiene que gestionar una serie de diagnósticos, como la supervisión del campo magnético, la temperatura del sistema, la comunicación, la continuidad, la ruta de la señal interna y la fuente de alimentación.

Además del diseño de hardware, el desarrollo de software puede ser complejo y llevar mucho tiempo, lo que retrasa aún más el tiempo de comercialización.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden utilizar CIs de sensores de posición 3D de efecto Hall integrados con un motor de cálculo interno. Estos CI simplifican el diseño del software y reducen la carga del procesador del sistema hasta en un 25%, lo que permite utilizar una unidad de microcontrolador de bajo costo y uso general. También pueden ofrecer una rápida velocidad de muestreo y una baja latencia para un control preciso en tiempo real. En los dispositivos alimentados por batería, los sensores de posición de efecto Hall 3D pueden funcionar con ciclos de trabajo de 5 Hertz (Hz) o menos para minimizar el consumo de energía. Además, las funciones y los diagnósticos integrados maximizan la flexibilidad de diseño y la seguridad y fiabilidad del sistema.

Este artículo repasa los fundamentos de los sensores de posición de efecto Hall en 3D y describe su uso en robótica, detección de manipulaciones, controles de interfaz humana y sistemas de motorización de cardanes. A continuación, presenta ejemplos de sensores de posición 3D de efecto Hall de alta precisión de Texas Instruments, junto con las placas de evaluación asociadas y la guía de implementación para acelerar el proceso de desarrollo.

¿Qué son los sensores 3D de efecto Hall?

Los sensores 3D de efecto Hall pueden recoger información sobre el campo magnético completo, lo que permite utilizar mediciones de distancia y angulares para determinar la posición en entornos 3D. Las dos ubicaciones más comunes de estos sensores son sobre el eje y coplanar con la polarización magnética (Figura 1). Cuando se coloca en el eje de polarización, el campo proporciona una entrada unidireccional al sensor que puede utilizarse para determinar la posición. La colocación coplanaria produce un vector de campo paralelo a la cara del imán, independientemente del alcance del sensor, lo que también permite determinar la posición y el ángulo.

Figura 1: Los sensores de posición de efecto Hall en 3D pueden colocarse en el eje o coplanares al campo magnético para medir la distancia y el movimiento angular. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los sistemas de la Industria 4.0, como los robots, necesitan una detección de movimiento multieje para medir el ángulo de los brazos robóticos, o en cada rueda de los robots móviles para apoyar la navegación y el movimiento preciso en toda una instalación. Los sensores 3D de efecto Hall integrados son muy adecuados para estas tareas, ya que no son susceptibles a la humedad ni a la suciedad. Las mediciones coplanares proporcionan mediciones muy precisas del campo magnético de los ejes giratorios (figura 2).

Figura 2: Los sensores 3D de efecto Hall integrados pueden medir la rotación del eje en robots y otras aplicaciones de la Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los gabinetes de seguridad, como los contadores de electricidad y gas, los cajeros automáticos (ATM), los servidores empresariales y los equipos de puntos de venta electrónicos, pueden utilizar las mediciones de campo en el eje para detectar intrusiones (figura 3). Cuando se abre la caja, la densidad de flujo (B) detectada por el sensor 3D de efecto Hall disminuye hasta caer por debajo de la especificación del punto de liberación de flujo (_BRP) del interruptor Hall, momento en el que el sensor envía una alerta. Cuando la caja está cerrada, la densidad de flujo magnético debe ser lo suficientemente grande en relación con el_BRP para evitar falsas alertas. Dado que la densidad de flujo de un imán tiende a disminuir a medida que aumenta su temperatura, el uso de un sensor de efecto Hall 3D con capacidad de compensación de temperatura puede mejorar la fiabilidad del sistema para los gabinetes utilizados en entornos industriales o exteriores.

Figura 3: La detección de manipulaciones en el gabinete puede realizarse con sensores 3D de efecto Hall para identificar accesos no autorizados. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las interfaces humanas y los controles de los electrodomésticos, los equipos de prueba y medición y la electrónica personal pueden beneficiarse del uso de los tres ejes de movimiento. Un sensor puede monitorizar el movimiento en los planos X e Y para identificar la rotación de una esfera y puede identificar cuando la esfera es empujada monitorizando un gran desplazamiento en los ejes magnéticos X e Y. La supervisión del eje Z permite que el sistema identifique desajustes y envíe alertas de desgaste o daños que indiquen que el dial puede necesitar un mantenimiento preventivo.

Los sistemas de motores de Suspensión Cardán en estabilizadores de cámaras manuales y drones se benefician del uso de sensores 3D de efecto Hall con rangos de sensibilidad de campo magnético seleccionables y otros parámetros programables para proporcionar mediciones de ángulo a una unidad de microcontrolador (Figura 4). La unidad de microcontrolador ajusta continuamente la posición del motor según sea necesario para estabilizar la plataforma. Un sensor que puede medir con exactitud y precisión los ángulos en posiciones dentro y fuera del eje proporciona flexibilidad en el diseño mecánico.

Figura 4: Los motores de Suspensión Cardán en plataformas de cámaras portátiles y drones se benefician de los sensores 3D de efecto Hall con rangos de sensibilidad de campo magnético seleccionables. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las mediciones fuera del plano suelen provocar diferentes intensidades de campo magnético (ganancias) y diferentes desplazamientos en diferentes ejes, lo que puede causar errores de cálculo de ángulos. El uso de un sensor Hall 3D con correcciones de ganancia y desplazamiento favorece la flexibilidad a la hora de colocar el sensor en relación con el imán, garantizando los cálculos de ángulo más precisos.

Sensores 3D flexibles de efecto Hall

Texas Instruments ofrece a los diseñadores una selección de sensores lineales de efecto Hall de tres ejes que incluye la familia TMAG5170 de sensores lineales de efecto Hall 3D de alta precisión con una interfaz periférica serial (SPI) de 10 megahercios (MHz) y comprobación de redundancia cíclica (CRC). Además, la familia TMAG5273 de sensores lineales de efecto Hall 3D de baja potencia con una interfaz I²C y CRC.

Los dispositivos TMAG5170 están optimizados para una detección de posición rápida y precisa e incluyen: error total de medición lineal de ±2.6% (máximo a 25 °C); deriva de sensibilidad de temperatura de ±2.8% (máximo), y; tasa de conversión de 20 kilomuestras por segundo (Ksps) para un solo eje. Los dispositivos TMAG7273 cuentan con modos de bajo consumo que incluyen: 2.3 miliamperios (mA) de corriente en modo activo; 1 microamperio (µA) de corriente en modo de activación y reposo, y; 5 nanoamperios (nA) de corriente en modo de reposo. Estos CI incluyen cuatro bloques funcionales principales (Figura 5):

• El bloque de gestión de energía y osciladores incluye la detección de subtensión y sobretensión, la polarización y los osciladores.
• Los sensores Hall y la polarización asociada con los multiplexores, los filtros de ruido, los sensores de temperatura, el circuito integrador y un convertidor de analógico a digital (ADC) conforman el bloque de detección y medición de la temperatura.
• Los circuitos de control de la comunicación, la protección contra descargas electrostáticas (Descarga electrostática), las funciones de entrada/salida (E/S) y el CRC están incluidos en el bloque de interfaz.
• El núcleo digital contiene circuitos de diagnóstico para comprobaciones de diagnóstico obligatorias y habilitadas por el usuario, otras funciones de mantenimiento y un motor de cálculo de ángulos integrado que proporciona información de posición angular de 360° para mediciones de ángulos tanto en el eje como fuera del eje.

Figura 5: A excepción de una interfaz SPI (mostrada arriba) en los modelos TMAG5170 y una interfaz I²C en los modelos TMAG5273, los bloques funcionales internos son los mismos para ambas familias de CI de sensores de efecto Hall 3D. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los dispositivos TMAG5170 se suministran en un encapsulado VSSOP de 8 patillas que mide 3.00 x 3.00 milímetros (mm) y están especificados para un rango de temperatura ambiente de -40 °C a +150 °C. El TMAG5170A1 incluye rangos de sensibilidad de ±25 militesla (mT), ±50 mT y ±100 mT, mientras que el TMAG5170A2 admite ±75 mT, ±150 mT y ±300 mT.

La familia TMAG5273 de bajo consumo utiliza encapsulados DBV de 6 pines que miden 2.90 x 1.60 mm y están especificados para un rango de temperatura ambiente de -40 °C a +125 °C. También se ofrece en dos modelos diferentes; el TMAG5273A1 con rangos de sensibilidad de ±40 mT y ±80 mT, y el TMAG5273A2 que soporta ±133 mT y ±266 mT.

Para el cálculo de los ángulos se utilizan dos ejes magnéticos seleccionados por el usuario. El impacto de las fuentes de error mecánicas del sistema se minimiza mediante correcciones magnéticas de ganancia y desplazamiento. La función de compensación de temperatura integrada puede utilizarse para compensar de forma independiente los cambios de temperatura en el imán o el sensor. Estos sensores 3D de efecto Hall pueden configurarse a través de la interfaz de comunicaciones para permitir combinaciones de ejes magnéticos y mediciones de temperatura controladas por el usuario. El pin ALERT del TMAG5170 o el pin INT del TMAG5273 se pueden utilizar por una unidad de microcontrolador para activar una nueva conversión de sensores.

Las placas Eval ayudan a empezar

Texas Instruments también ofrece dos placas de evaluación, una para la serie TMAG5170 y otra para la serie TMAG5273, que permiten realizar evaluaciones funcionales básicas (Figura 6). El TMAG5170EVM incluye los modelos TMAG5170A1 y TMAG5170A2 en una placa de PC de fácil montaje. El TMAG5273EVM cuenta con los modelos TMAG5273A1 y TMAG5273A2 en una placa de PC de montaje rápido. Incluyen una placa de control de sensores que interactúa con la interfaz gráfica de usuario (GUI) para ver y guardar las mediciones y leer y escribir registros. El módulo de rotación y empuje impreso en 3D se utiliza para probar funciones comunes de medición angular.

Figura 6: El TMAG5170EVM y el TMAG5273EVM incluyen una placa snap-apart con dos CI de sensores de efecto Hall en 3D diferentes (abajo a la derecha), una placa de control de sensores (abajo a la izquierda), un módulo de rotación y empuje impreso en 3D (centro) y un cable USB para suministrar energía. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Figura 7: Ilustración del módulo de rotación y empuje impreso en 3D montado sobre el EVM. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Uso de los sensores Hall 3D

Hay algunas consideraciones de implementación que los diseñadores deben tener en cuenta al utilizar estos sensores de posición 3D de efecto Hall:

• La lectura SPI del registro de resultados en el TMAG5170, o la lectura I²C en el TMAG5273, debe sincronizarse con el tiempo de actualización de la conversión para garantizar que se lean los datos correctos. La señal ALERT en el TMAG5170, o la señal INT en el TMAG5273, pueden utilizarse para notificar al controlador cuando se ha completado una conversión y los datos están listos.
• Debe colocarse un condensador de desacoplamiento de baja inductancia cerca del pin/clavija del sensor. Se recomienda un condensador de cerámica con un valor de al menos 0.01 microfaradios (μF).
• Estos sensores de efecto Hall pueden integrarse en gabinetes de materiales no ferrosos, como el plástico o el aluminio, con los imanes de detección en el exterior. Los sensores y los imanes también pueden colocarse en lados opuestos de una placa de PC.

Conclusión:

Con el crecimiento del movimiento y el control en 3D, los diseñadores necesitan obtener mediciones precisas en tiempo real, al tiempo que mantienen los costes al mínimo mediante un diseño simplificado, minimizando también el consumo de energía. Como se ha demostrado, los sensores 3D de efecto Hall integrados TMAG5170 y TMAG5273 abordan estos problemas, ofreciendo la flexibilidad de unas tasas de muestreo rápidas y una baja latencia para un control preciso en tiempo real, o unas tasas de muestreo lentas para minimizar el consumo de energía en dispositivos alimentados por baterías. Los algoritmos de corrección de ganancia y desviación integrados, combinados con la corrección de temperatura independiente para el imán y el sensor, garantizan una gran precisión.

Lectura recomendada

1. Fundamentos de los sensores de proximidad: Su selección y uso en la automatización industrial
2. Por qué y cómo utilizar la interfaz periférica serial para simplificar las conexiones entre varios dispositivos