【应用】灵敏度温漂<±0.3%！三轴霍尔传感器助力角度检测

时间： 2017-06-05 来源：世强作者：在路上

技术问答

MELEXIS三轴霍尔传感器MLX90365是高性价比的产品，不仅可以应用到在工业如本文提到的无人机云台、遥控手柄，还可以运用到游戏手柄、操纵杆，尤其是汽车里的踏板、节气门位置传感器、档把等领域，只要涉及到线性位移、旋转角度检测的场合。目前均有成功应用，下面以MLX90365在无人机云台控制系统中的应用为例介绍。

无人机机载相机（摄像机）的成像质量，除了受相机分辨率的影响外，还受风力和无人机叶片旋转时产生的振动的影响。后面这两种因素将导致拍摄图像不稳定，图像模糊扭曲。因此必须采取相应措施来保证在拍摄图像时，摄像机跟踪图像的稳定。而云台，作为无人机上用于连接摄像机，承载摄像机进行水平和垂直两个方向运动和调节的支撑设备，其位置检测精度和控制的响应实时性和准确性，无疑对拍摄的图像质量有着重大影响。下图一是无人机云台实物图。

图1：无人机云台实物图

为了对角度和位置的检测更精准，需要在云台上安装检测摄像头位置和姿态的传感器。通过实时检测摄像头水平方向和俯视角度及其变化，通过MCU进行处理和运算，计算出最佳的水平方向和俯视角度及误差变化量，MCU再通过向步进电机发出控制指令，来校正和调节摄像头的水平方向和垂直方向的位置和角度。这样用户通过遥控器操作手柄或者手机APP，即可对无人机云台进行控制，进而拍摄出高稳定、高清晰度的图像和视频。基于该原理，本文设计了用MELEXIS的三轴霍尔传感器MLX90365实现的云台控制系统，其系统框图如下图2所示。

图2：云台控制系统框图

为何在云台控制系统上选择MLX90365来实现水平和垂直方向的位置和角度检测？

由于无人机采用电池供电，为了尽可能延长无人机的飞行时间，除了增加电池的容量外（这会导致电池重量和体积的增加），另外一个方法就是采用低重量的材料（这也是有极限的）、做更紧凑的结构设计，这使得每个部分的空间都非常小，因此要求传感器与电机旋转轴的相对位置较灵活，以及在硬件设计上尽可能选择低功耗的器件等；但目前绝大多数的角度传感器与磁铁这种结构灵活放置在一起就会带来非线性误差增大、检测位置和角度不准确等问题。

而MELEXIS的第2.5代的三轴霍尔传感器MLX90365，由于采用了MELEXIS的IMC专利技术，可检测X，Y，Z三个方向上磁场强度和矢量大小的变化，可实现对XY、XZ、YZ任意两个轴向的位移和旋转角度检测。因此传感器和磁铁的相对位置就可以更加灵活，降低了无人机云台结构设计的难度和复杂度。

另外，MLX90365可实现4点和多达17点编程，内置温度补偿，灵敏度温漂小于±0.3%，与其他的位置和角度检测传感器相比，具有更高的位置和角度检测精确度。其输出方式可编程为4种模拟输出和3种PWM输出模式，可非常方便与MCU的ADC或输入捕获接口进行连接。输出线性度更高。数字PWM输出，其PWM的频率可从100Hz到1KHz范围内进行编程设置，具有更高的抗干扰性能，EMC性能更好。

下图3是MLX90365的内部结构框图，包含了平面霍尔盘和集磁片（IMC），可检测X，Y，Z三个方向上磁场强度和矢量大小的变化。集成放大器、15位高精度的ADC、高速DSP（包括控制器，EEPROM等）、电压调整器及保护电路等。

图3：MLX90365内部系统框图

MLX90365有单DIE和双DIE两种类型可选，既可以根据需要用单颗双DIE的传感器实现水平和垂直方向的位置和角度检测；也可以用2颗单DIE来分别检测；或者用2颗双DIE，实现可靠性更高的冗余性设计。MLX90365具有过压、过流、反压、输出钳位等自诊断，以及编程后对EEPROM的锁定等保护功能。温度范围有-40到85度/125及150度多种型号可选，AEC-Q100的认证。这些特性都极大的增强了设计的灵活性和系统的可靠性。

对于云台控制系统，采用MELEXIS的三轴霍尔传感器MLX90365来检测摄像头的水平角度和垂直角度，用户可通过对MLX90365内部EEPROM进行非常灵活的编程设置，实现线性位移、旋转角度的检测。在硬件方面的设计方面，可按照MLX90365数据手册推荐的应用电路来设计。而另外一个重要方面是磁铁选择及结构设计。这方面可参考相关的设计文档：《Magnet ApplicationNote MLX90316》。

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