일반적으로 조이스틱 사용 과정에서 아날로그 출력 신호를 달성하는 방법에는 홀 센서 형식과 전위차계 유형의 두 가지가 있습니다.
1, 이 기사는 홀 센서의 기본 구현 원리, 2D 홀과 3D 홀의 차이점, 장단점을 명확히 하는 것을 목표로 합니다.
홀 효과의 정의:
홀 효과는 1879년 물리학자 홀에 의해 발견되었습니다. 자기장과 유도 전압 사이의 관계를 정의합니다. 이 효과는 기존의 전자기 유도와 완전히 다릅니다.
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위와 같이 전류가 자기장(음영면)에 위치한 도체를 통과할 때 자기장은 전자의 운동 방향에 수직인 도체의 전자에 힘을 가하여 전위차를 발생시킵니다. 도체와 자기 인덕턴스 라인에 수직인 양방향으로.
전류 방향에 수직인 자기장이 반도체에 가해지면 반도체의 전자와 정공은 서로 다른 방향으로 로렌츠 힘에 이끌려 서로 다른 방향으로 모이게 됩니다. 모인 전자와 정공 사이에 전기장이 생성됩니다. 전계력과 로렌츠 힘이 균형을 이루고 나면 더 이상 응집되지 않습니다. 이 때 전기장은 이어지는 전자와 정공이 전계의 힘을 받게 하고 자기장에 의해 발생하는 로렌츠 힘의 균형을 맞춰 이후의 전자와 정공이 편차 없이 원활하게 통과할 수 있도록 하는데 이것이 바로 홀 효과이다. . 양쪽 사이의 전압 차를 홀 전압이라고 합니다.
개략도
전자는 자기장에 전위차를 생성하여 로렌츠 힘을 발생시킵니다.
로렌츠 힘 F=qE + qvB/c
그래서 홀 필드
UH=RH·I= -B·I /(q·n·c)
홀 효과 적용:
홀 효과는 더 일찍 발견되었지만 일정한 자석과 전자 부품의 개발로 인해 제한되었습니다. 홀 센서는 1970년대에 처음 등장했습니다.
기본 홀 센서는 실리콘 단결정 소재의 회로칩을 밀폐된 패키징 구조로 패키징하여 신뢰성이 높은 홀칩 집적회로로 설계된다.
그러나 회로 설계상의 문제로 인해 처음 사용하는 Hall 칩은 온도 드리프트로 인해 큰 전압 변화가 발생하게 되어 실제 산업 환경에 적용할 수 없다.
이후 1990년대까지 MLX와 같은 일부 회사는 온도 보상 회로를 사용하여 자기장 계산 공식에서 온도 관련 매개변수의 영향을 상쇄하여 자기장이 온도에 따라 변하지 않도록 했습니다. 또한 홀 칩은 홀 칩이 설정한 아날로그 출력을 사용 요구 사항에 맞출 필요가 없는 프로그래밍 가능한 작동을 실현하고 홀 칩의 사용 시나리오와 범위를 크게 확장합니다.
홀 칩은 변위 및 회전 각도의 매개 변수를 판단하고 아날로그 출력으로 변환하는 데 사용되는 산업 및 차량 환경에서 널리 사용되기 시작했습니다.
MLX컴퍼니에 이어 국내외 많은 IC 제조사들이 홀칩 개발에 동참했다. 현재 사용되는 기존의 홀 칩은 일반적으로 중복 판단을 위해 여러 개의 홀 칩을 중첩하여 만들어 아날로그 출력의 해상도와 정확도를 크게 향상시킵니다.
핸들 홀 사용:
초기 산업용 핸들은 총알을 밀어 유압 밸브를 구동하는 핸들의 회전 구조를 통해 아날로그 출력을 달성했습니다. 지능형 제어 및 논리 설계에 결함이 있으며 유압 장치에는 필연적으로 오일 누출 현상이 발생하여 오염 수준이 높은 현장이나 깨끗한 환경이 필요한 현장에서 사용할 수 없습니다.
총알 형태의 유압식 사용
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Hall은 독일 제조업체인 Danfoss의 조이스틱에 처음 사용되었습니다. 주요 제품은 JS1, JS1000 등입니다.
홀 칩 제조업체는 일반적으로 MLX, TI, McGahn 등 핸들에 사용됩니다.
2D 평면 홀과 3D 홀은 사용 방법에 따라 차이가 있습니다.
2D 홀과 3D 홀의 차이점:
일반적으로 핸들의 홀 사용은 회전과 변위 및 스윙으로 나뉩니다. 회전식은 2D Hall이고 변위 및 스윙식은 3D Hall입니다.
* 마그네틱 스틸 사용 참고:
홀 형태에 관계없이 홀 작업의 안정성을 달성하기 위해서는 두 가지 중요한 제어 요구 사항이 있습니다.
첫 번째는 자성 강철과 홀 중심 사이의 거리로 홀 칩 모델에 따라 다릅니다. 일반적으로 1~5mm 정도이다.
두 번째는 홀 칩 모델에 따라 자성 강철의 자화 크기가 다르며 일반적으로 수십 mT에서 수백 mT입니다.
두 매개 변수 중 하나가 범위를 벗어나거나 편차가 크면 홀 칩의 불안정성을 유발하여 출력 변이 또는 출력 편차를 초래합니다.
또한, 일반적으로 자성강은 장기간 사용시 감자로 인한 출력편차가 발생하지 않으며 핵심변수는 자성강의 보자력입니다. 보자력이란 자성체의 포화 자화 후 외부 자기장이 0으로 돌아왔을 때 자기유도 강도 B가 0으로 돌아오지 않는 것을 말한다. 원래 자기장과 반대 방향으로 일정 크기의 자기장을 추가해야만 자기 유도 강도가 0으로 돌아갈 수 있는데, 이를 보자력 자기장 또는 보자력이라고 합니다.
일반적으로 자성강의 보자력은 850KA/m 이상의 Hcb를 필요로 합니다. 고유 보자력 Hcj 955KA/m 이상. 주요 영향 요인은 자성 강철의 재질입니다. 일반적으로 페라이트 재료의 보자력은 작기 때문에 자성 강철의 자기 소거가 오래 지속됩니다. 그리고 NdFeb 재료의 보자력은 더 크며 일반적으로 사용 조건에서 비장기적인 고온(60~80도 이상), 약 5~10년의 사용이면 충분합니다.
핸들에 사용되는 자성강은 일반적으로 N35 Ndfeb 자성강입니다.
자기 강철의 다른 제어 요소는 잔류 Br 및 최대 자기 에너지 곱 BH(max)입니다.
1. 회전하는 유형:
로터리 홀은 일반적으로 회전축의 중심에 설정되며 자화 방향은 방사형입니다. 핸들 축을 돌리면 홀 센서를 통한 자속의 변화로 인해 홀 전압이 발생합니다.
이 사용 방법의 장점은 다음과 같습니다.
1. 좋은 전압 대칭;
2. 낮은 실현 난이도;
3. 양축 손잡이의 경우 XY축 간섭이 적고,
4. 단축 핸들은 공간을 적게 차지합니다.
5. 낮은 자화 어려움.
6. 회전 각도가 클 수 있습니다(360도 미만).
단점은 다음과 같습니다.
1. 이중 축 핸들이 실현되면 상대적으로 큰 공간을 차지해야 합니다.
2. 반드시 회전 중심에서 사용해야 합니다.
회전 유형
1. 변위 공식:
일반적으로 변위의 사용은 첫 번째 플래그 MT1531 칩과 같은 3D 홀의 사용이기도 합니다. 일반적으로 자화 방향은 방사형입니다. 이와 같이 자기장강은 양쪽에서 최대인 중간점에서 0mT의 자속을 가져야 한다. 이와 같이 자성강을 자화할 때 띠자성강 또는 곡면자성강의 양면에 자화균일성에 대한 요구사항을 가질 필요가 있다. 자기 크기가 다르면 자속 분포가 고르지 않아 핸들이 흔들릴 때 양쪽 출력의 선형 편차가 발생합니다.
이점:
1. 구조가 간단하고 변위 홀 가격이 낮습니다.
2. 회전 중심에 배치하기 어려운 자성 강철의 구조상이 더 좋습니다.
3. 가동 가능한 구조는, 구조의 다양성을 더 할 수 있습니다.
단점:
1. 자성 강철은 자화 대칭이 필요합니다.
2. 일반적으로 변위 공식의 선형 대칭을 구현하는 것은 매우 어렵습니다.
3. 회전 각도가 너무 커서는 안됩니다. (보통 40도를 초과하지 않음)
——MLX90333 사양의 이미지
1. 그네 유형:
진동 홀은 이축 홀의 일반적인 구현입니다. 홀 센서에 여러 개의 홀 칩을 중첩하여 한 칩의 이중 축 또는 다축 출력을 구현합니다.
일반적으로 자성 강철 자화의 방향은 축 방향 자화이며 원형 자성 강철의 축 방향 자화는 자화의 어려움을 크게 줄입니다.
——MLX90333 사양의 이미지
홀 센서의 경우 단일 3D 칩이 2D 칩보다 비싸지만 2축 출력을 구현하는 비용은 2D 칩 2개를 사용하는 것보다 상대적으로 저렴합니다.
이점:
1. 자성강은 자화난이도가 낮다. 낮은 조립 난이도;
2. 이축 구현 비용이 낮습니다.
3. 핸들의 수평 공간이 덜 차지합니다.
단점:
1. 홀 패치의 오프셋 요구 사항은 상대적으로 높으며 SMT의 오프셋 요구 사항은 일반적으로 용접 발의 1/2 이하입니다. 그렇지 않으면 큰 이축 간섭이 발생합니다(즉, 한 축을 밀 때 다른 축에 출력 변동이 있으며 3D 홀은 이축 간섭을 피할 수 없지만 일반적으로 출력 편차 범위 내에서 자격이 있는 것으로 간주됨)
2. 단축 출력을 달성하는 비용이 더 높아집니다.
3. 회전 각도는 변위 유형보다 작습니다(일반적으로 30도 이하).
Shanghai Chen Gong Electric Control의 HJ8 핸들은 MLX90333의 3D 홀을 사용합니다.
나. 홀 출력 편차에 영향을 미치는 요인:
일반적으로 홀 출력 전압에 영향을 미치는 요인은 주로 다음과 같은 이유입니다. 일반적으로 칩이 불량해지는 경우는 거의 없기 때문에 출력 전압 편차의 원인은 주로 자속 변화에서 분석됩니다.
1. 자성강에 의한 자속의 변화
마그네틱 스틸은 다음과 같은 다양한 이유로 자속과 출력 전압을 변경합니다.
A. 보호가 불량하면 자성강에 철분이 흡착되어 자속의 변화가 발생합니다.
B. 자성강을 잘못 고정하면 자성강이 느슨해집니다.
C. 자성강을 리벳으로 고정하거나 고정할 때 숨겨진 크랙이 존재하여 고온 및 저온 후 크랙 및 자속 변화를 유발할 수 있습니다.
피하는 방법:
이러한 요소를 분석하고 개선 조치를 설계 및 프로세스의 FEMA에서 추적해야 합니다.
2. 외부 원인에 의한 자속 변화:
일반적으로 홀 칩을 통과하는 자속은 외부 자기장이나 전압 충격에 의한 회로 변동으로 인해 변화하여 출력에 영향을 미칩니다.
피하는 방법:
EMC 테스트를 진행하였으며 홀 칩의 차폐도를 높이기 위해 쉴드 쉴드를 사용하였습니다.
3. 기계적 구조로 인한 출력 편차:
장기간 사용 후 기계적 클리어런스가 증가하면 출력 편차가 증가합니다.
피하는 방법:
구조 설계를 최적화합니다.
4. 외부 입력 전압 비조정 전원 공급 장치:
일반적으로 홀 핸들 제조업체의 공칭 홀 입력 전압은 5.0Vdc±0.5V이지만 실제로 이 전압은 홀 센서를 구동하는 전압을 의미합니다. 교정 출력 전압 값이 0.5~2.5V~4.5V 출력이고 5.5V 전압을 입력하면 중간 출력 전압은 2.75V가 되어 중간 요구 사항 범위를 벗어납니다. 따라서 고객은 일반적으로 조정된 전원 공급 장치를 사용하라는 지시를 받습니다. 전원 편차는 일반적으로 ±0.2V이며 최상의 조건은 ±0.1V입니다.