تنفيذ مبدأ قاعة جويستيك

عادة في عملية استخدام عصا التحكم ، هناك طريقتان لتحقيق إشارة خرج تناظرية: شكل مستشعر القاعة ونوع مقياس الجهد.

1 ، تهدف هذه المقالة إلى توضيح مبدأ التنفيذ الأساسي لمستشعر القاعة والاختلافات والمزايا والعيوب بين القاعة ثنائية الأبعاد والقاعة ثلاثية الأبعاد.

تعريف تأثير القاعة:

اكتشف الفيزيائي هول تأثير هول في عام 1879. وهو يحدد العلاقة بين المجال المغناطيسي والجهد المستحث. يختلف هذا التأثير تمامًا عن الحث الكهرومغناطيسي التقليدي.

—— صورة من الإنترنت

كما هو موضح أعلاه ، عندما يمر تيار كهربائي عبر موصل يقع في مجال مغناطيسي (السطح المظلل) ، فإن المجال المغناطيسي يمارس قوة على الإلكترونات في الموصل المتعامد مع اتجاه حركة الإلكترونات ، مما ينتج عنه فرق جهد في كلا الاتجاهين عموديًا على الموصل وخط الحث المغناطيسي.

عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي عمودي على الاتجاه الحالي على أشباه الموصلات ، فإن الإلكترونات والثقوب في أشباه الموصلات ستجذبها قوة لورنتز في اتجاهات مختلفة وتتجمع في اتجاهات مختلفة. سيتم إنشاء المجال الكهربائي بين الإلكترونات والثقوب المجمعة. بعد موازنة قوة المجال الكهربائي وقوة لورنتز ، لن يتجمعوا بعد الآن. في هذه الحالة ، سيجعل المجال الكهربائي الإلكترونات والثقوب اللاحقة تخضع لقوة المجال الكهربائي ويوازن قوة لورنتز الناتجة عن المجال المغناطيسي ، بحيث يمكن للإلكترونات والثقوب اللاحقة أن تمر عبرها بسلاسة دون انحراف ، وهو تأثير هول. . يسمى فرق الجهد بين الجانبين بجهد القاعة.

رسم تخطيطى

يخلق الإلكترون فرق جهد في المجال المغناطيسي مما ينتج عنه قوة لورنتز

Lorentz Force F=qE plus qvB / c

لذا فإن مجال هول

UH=RH · I=- B · I / (q · n · c)

تطبيق تأثير القاعة:

على الرغم من اكتشاف تأثير هول في وقت سابق ، إلا أنه كان محدودًا بسبب تطور المغناطيسات الثابتة والمكونات الإلكترونية. ظهرت مستشعرات القاعة لأول مرة في السبعينيات.

تم تصميم مستشعر Hall الأساسي كدائرة متكاملة لشريحة Hall موثوقة للغاية عن طريق تعبئة شريحة الدائرة من مادة بلورية أحادية السيليكون في هيكل تغليف محكم الغلق.

ومع ذلك ، نظرًا لمشاكل تصميم الدوائر ، فإن شريحة القاعة المستخدمة لأول مرة ستنتج تغيرات كبيرة في الجهد بسبب انحراف درجة الحرارة ، والتي لا يمكن تطبيقها في البيئة الصناعية الفعلية.

في وقت لاحق ، وحتى حوالي التسعينيات ، استخدمت بعض الشركات ، مثل MLX ، دوائر تعويض درجة الحرارة لتعويض تأثير المعلمات ذات الصلة بدرجة الحرارة في صيغة حساب المجال المغناطيسي ، بحيث لا يتغير المجال المغناطيسي مع درجة الحرارة. علاوة على ذلك ، حققت شريحة Hall عملية قابلة للبرمجة ، والتي لا تحتاج إلى تكييف الإخراج التناظري الذي حددته شريحة Hall مع متطلبات الاستخدام ، وتوسع بشكل كبير سيناريو الاستخدام ونطاق شريحة Hall.

بدأ استخدام شريحة Hall على نطاق واسع في البيئة الصناعية والمركبة ، وتستخدم للحكم على معلمات الإزاحة وزاوية الدوران ، وتحويلها إلى خرج تناظري.

بعد شركة MLX ، انضم العديد من مصنعي IC في الداخل والخارج في تطوير شريحة Hall. عادة ما تكون شريحة Hall التقليدية المستخدمة الآن مصنوعة من عدة شرائح Hall متراكبة للحكم على التكرار ، مما يحسن بشكل كبير من دقة ودقة الإخراج التناظري.

استخدام القاعة في المقبض:

حققت المقابض الصناعية المبكرة ناتجًا تناظريًا من خلال الهيكل الدوار للمقبض ، والذي دفع الرصاصة لقيادة الصمام الهيدروليكي. ستكون هناك أوجه قصور في التحكم الذكي والتصميم المنطقي ، وسيكون للجهاز الهيدروليكي حتماً ظاهرة تسرب الزيت ، والتي لا يمكن استخدامها في المشهد مع متطلبات مستوى تلوث عالية أو في المشهد الذي يتطلب بيئة نظيفة.

الاستخدام الهيدروليكي للرصاصة

—— صورة من الإنترنت

تم استخدام Hall لأول مرة في عصا التحكم بواسطة Danfoss ، الشركة المصنعة الألمانية. منتجاتها الرئيسية هي JS1 ، JS1000 وهلم جرا.

يشيع استخدام مصنعي شرائح القاعة في المقبض ، بما في ذلك MLX و TI و McGahn وما إلى ذلك.

توجد فروق بين قاعة الطائرة ثنائية الأبعاد والقاعة ثلاثية الأبعاد وفقًا لطرق الاستخدام المختلفة.

الفرق بين القاعة ثنائية الأبعاد والقاعة ثلاثية الأبعاد:

عادة ، يتم تقسيم استخدام Hall في المقبض إلى دوار وإزاحة وتأرجح. النوع الدوار هو قاعة ثنائية الأبعاد ، ونوع الإزاحة والتأرجح هو قاعة ثلاثية الأبعاد.

* لاحظ استخدام الفولاذ المغناطيسي:

بغض النظر عن شكل القاعة ، هناك نوعان من متطلبات التحكم الحاسمة لتحقيق استقرار عمل القاعة.

الأول هو المسافة بين الفولاذ المغناطيسي ومركز القاعة ، والتي تختلف وفقًا لنماذج شرائح Hall المختلفة. هو عموما حوالي 1 ~ 5mm.

والثاني هو حجم مغنطة الفولاذ المغناطيسي ، وفقًا لنموذج رقاقة القاعة بشكل مختلف ، بشكل عام في عشرات من طن متري إلى مئات طن متري.

إذا كان أي من المعلمتين خارج النطاق أو كان الانحراف كبيرًا ، فسيؤدي ذلك إلى عدم استقرار شريحة Hall ، مما يؤدي إلى حدوث طفرة في الإخراج أو انحراف في الإخراج.

بالإضافة إلى ذلك ، بشكل عام ، لن يتسبب الفولاذ المغناطيسي في انحراف الإخراج بسبب إزالة المغناطيسية أثناء استخدامه على المدى الطويل ، والمعلمة الرئيسية الخاصة به هي إكراه الفولاذ المغناطيسي. يشير الإكراه إلى شدة الحث المغناطيسي B لا تعود إلى الصفر عندما يعود المجال المغناطيسي الخارجي إلى الصفر بعد مغنطة التشبع للمواد المغناطيسية. فقط عن طريق إضافة مجال مغناطيسي بحجم معين في الاتجاه المعاكس لمجال المغنطة الأصلي يمكن أن تعود شدة الحث المغناطيسي إلى الصفر ، وهو ما يسمى المجال المغناطيسي القسري أو القوة القسرية.

بشكل عام ، تتطلب إكراه الفولاذ المغناطيسي Hcb أكبر من أو يساوي 850KA / m ؛ الإكراه الجوهري Hcj أكبر من أو يساوي 955KA / m. عامل التأثير الرئيسي هو مادة الفولاذ المغناطيسي. بشكل عام ، تكون قسرية مادة الفريت صغيرة ، مما يؤدي إلى إزالة مغناطيسية الفولاذ المغناطيسي لفترة طويلة. وإكراه مادة NdFeb أكبر ، وعادة ما تكون درجة حرارة عالية غير طويلة المدى (فوق 60 ~ 80 درجة) في ظل ظروف الاستخدام ، فإن استخدام حوالي خمس إلى عشر سنوات أكثر من كافٍ.

عادةً ما يكون الفولاذ المغناطيسي المستخدم للمقبض هو الفولاذ المغناطيسي N35 Ndfeb.

العناصر الأخرى التي يتم التحكم فيها من الفولاذ المغناطيسي هي remanence Br ومنتجات الطاقة المغناطيسية القصوى BH (كحد أقصى).

1. نوع الروتاري:

عادةً ما يتم تعيين Rotary Hall في مركز محور الدوران ، ويكون اتجاه المغنطة نصف قطري. عندما يتم تشغيل عمود المقبض ، يتم إنشاء جهد القاعة بسبب التغيير في التدفق المغناطيسي عبر مستشعر القاعة.

مزايا طريقة الاستخدام هذه هي:

1. جيد التماثل الجهد.

2. صعوبة تحقيق منخفضة.

3. في حالة مقبض المحور المزدوج ، يكون تداخل المحور XY صغيرًا ؛

4. يأخذ مقبض المحور المفرد مساحة أقل.

5. صعوبة مغنطة منخفضة.

6. يمكن أن تكون زاوية الدوران كبيرة (أقل من 360 درجة)

العيوب هي:

1. عندما يتحقق مقبض المحور المزدوج ، فإنه يحتاج إلى شغل مساحة كبيرة نسبيًا ؛

2. يجب أن تستخدم في مركز الدوران.

نوع الدوران

1. صيغة النزوح:

عادةً ما يكون استخدام الإزاحة هو أيضًا استخدام 3D Hall ، مثل أول شريحة MT1531 للعلم. عادة ما يكون اتجاه المغنطة شعاعيًا. بهذه الطريقة ، يجب أن يحتوي فولاذ المجال المغناطيسي على تدفق مغناطيسي قدره 0 mT عند نقطة المنتصف ، وهو أقصى حد على كلا الجانبين. عندما يكون الفولاذ المغناطيسي ممغنطًا بهذه الطريقة ، فمن الضروري أن يكون لديك متطلبات بشأن توحيد المغنطة على جانبي الفولاذ المغناطيسي الشريطي أو الفولاذ المغناطيسي المنحني. إذا كان الحجم المغناطيسي مختلفًا ، فسيكون توزيع التدفق المغناطيسي غير متساوٍ ، مما يؤدي إلى انحراف خطي للإخراج على كلا الجانبين عند اهتزاز المقبض.

مزايا:

1. الهيكل بسيط وسعر قاعة الإزاحة منخفض.

2. المرحلة الهيكلية للفولاذ المغناطيسي الذي يصعب وضعه في مركز الدوران أفضل ؛

3. هيكل مرن ، يمكن أن تفعل المزيد من أنواع الهيكل.

سلبيات:

1. يحتاج الفولاذ المغناطيسي إلى التماثل الممغنط.

2. بشكل عام ، من الصعب جدًا تحقيق التناظر الخطي لمعادلة الإزاحة ؛

3. يجب ألا تكون زاوية الدوران كبيرة جدًا ؛ (عادة لا تتجاوز 40 درجة)

—— صورة من مواصفات MLX90333

1. نوع التأرجح:

القاعة المتذبذبة هي إدراك مشترك للقاعة ذات المحورين. إنه يحقق إخراجًا ثنائي المحور أو حتى متعدد المحاور لشريحة واحدة عن طريق تركيب عدة شرائح Hall على مستشعر Hall.

عادةً ما يكون اتجاه مغنطة الفولاذ المغناطيسي هو مغنطة محورية ، والمغناطيسية المحورية للصلب المغناطيسي الدائري ستقلل بشكل كبير من صعوبة المغنطة.

—— صورة من مواصفات MLX90333

بالنسبة إلى مستشعرات Hall ، على الرغم من أن شريحة واحدة ثلاثية الأبعاد أكثر تكلفة من شريحة ثنائية الأبعاد ، فإن تكلفة تنفيذ خرج ثنائي المحور أقل نسبيًا من استخدام شريحتين ثنائي الأبعاد.

مزايا:

1. الفولاذ المغناطيسي لديه صعوبة مغنطة منخفضة. صعوبة تجميع منخفضة

2. تكلفة تحقيق ثنائية المحور منخفضة.

3. المساحة الأفقية للمقبض أقل شغلًا ؛

سلبيات:

1. إن متطلبات الإزاحة الخاصة برقعة القاعة مرتفعة نسبيًا ، ومتطلبات الإزاحة لـ SMT لا تزيد عمومًا عن 1/2 قدم اللحام ؛ خلاف ذلك ، سيكون هناك تداخل ثنائي المحور كبير (أي عند دفع محور واحد ، يكون للمحور الآخر تقلبات في الإخراج ، لا يمكن للقاعة ثلاثية الأبعاد تجنب التداخل ثنائي المحور ، ولكن بشكل عام ضمن نطاق انحراف الإخراج تعتبر مؤهلة)

2. تكلفة تحقيق مخرجات أحادية المحور ستكون أعلى ؛

3. زاوية الدوران أصغر من نوع الإزاحة (بشكل عام لا تزيد عن 30 درجة) ؛

مقبض HJ8 للتحكم الكهربائي Shanghai Chen Gong يستخدم القاعة ثلاثية الأبعاد لـ MLX90333.

الثاني. العوامل التي تؤثر على انحراف ناتج القاعة:

بشكل عام ، العوامل التي تؤثر على جهد خرج Hall هي الأسباب التالية بشكل أساسي. بشكل عام ، نظرًا لأن الشريحة نادرًا ما تتعطل ، يتم تحليل أسباب انحراف جهد الخرج بشكل أساسي من تغييرات التدفق المغناطيسي:

1. التغيرات في التدفق المغناطيسي الناتج عن الفولاذ المغناطيسي:

سيغير الفولاذ المغناطيسي التدفق المغناطيسي وبالتالي جهد الخرج لأسباب مختلفة ، مثل:

A. الحماية السيئة تؤدي إلى امتصاص مسحوق الحديد على الفولاذ المغناطيسي ، مما يؤدي إلى تغيير التدفق المغناطيسي.

B. التثبيت غير السليم للصلب المغناطيسي يؤدي إلى فك الفولاذ المغناطيسي.

توجد شقوق مخفية عندما يتم تثبيت الفولاذ المغناطيسي أو تثبيته ، مما قد يؤدي إلى حدوث تشققات وتغييرات في التدفق المغناطيسي بعد درجات الحرارة العالية والمنخفضة.

طرق تجنب:

هذه العوامل تحتاج إلى تحليل ومتابعة تدابير التحسين في FEMA للتصميم والعملية.

2. تغيرات التدفق المغناطيسي الناتجة عن أسباب خارجية:

بشكل عام ، يتغير التدفق المغناطيسي عبر رقاقة Hall بسبب تقلبات الدائرة الناتجة عن المجال المغناطيسي الخارجي أو تأثير الجهد ، وبالتالي يؤثر على الإخراج.

طرق تجنب:

تم إجراء اختبار EMC ، واستخدم درع الدرع لزيادة حماية رقاقة Hall.

3. الانحراف الناتج عن الهيكل الميكانيكي:

بعد الاستخدام طويل الأمد ، تؤدي زيادة الخلوص الميكانيكي إلى زيادة انحراف الإنتاج.

طرق تجنب:

تحسين التصميم الهيكلي.

4. مصدر طاقة غير منظم بجهد الإدخال الخارجي:

بشكل عام ، الجهد الاسمي لإدخال Hall الخاص بالشركة المصنعة لمقبض Hall هو 5. 0 Vdc ± 0. 5V ، ولكن من الناحية العملية ، يشير هذا الجهد إلى الجهد الذي يدفع مستشعر Hall. إذا كانت قيمة جهد خرج المعايرة 0. 5 ~ 2.5V ~ 4.5V الإخراج ، المدخلات 5.5V الجهد ، فإن جهد الخرج المتوسط ​​سيكون 2.75V ، خارج نطاق المتطلبات المتوسطة. لذلك ، يُطلب من العملاء عمومًا استخدام مصدر طاقة منظم. يكون انحراف مصدر الطاقة بشكل عام ± 0. 2 فولت مع ظروف في أفضل نطاق ± 0. 1 فولت.