1 高速での高精度位置検出を実現

できるだけ高い精度を達成するには、多くの場合、システムを低速で動作させる必要があり、その結果、システムの性能が低下します。高速、リアルタイム制御を必要とするアプリケーション、すなわち高速で高精度の測定を必要とするアプリケーションの場合、システム性能の低下は許容できません。これらの要件を持つアプリケーションの 1 つは、リニア・ ムーバーとも呼ばれるモータ搬送システムです。リニア・ ムーバーは、各ムーバーを個別に位置決めできるようにする組み込みマイクロコントローラ (MCU) を備えたスマート・トラック・システムで構成されます。 このシステム構成には、高い搬送速度、正確な位置決め、ライン上での製品の前後移動による製造効率向上など、オートメーション制御において多くのメリットがあります。

リニア・ ムーバーは、センサ・アレイを使用して、 ムーバーに取り付けられた磁石の絶対位置を追跡します。図 1-1 に示すように、センサは X 軸方向に一定間隔に配置されています。隣接するリニア 3D ホール・エフェクト位置センサを使用して、磁界の X 成分および Z 成分から角度を計算することにより、 ムーバーの絶対位置が決定されます。

精度と高速性が求められるリニア・ ムーバー・システムでは、高性能のリニア 3D ホール・エフェクト位置センサにより誤差を低減できます。内部要因としてのこれらの誤差の発生源は、感度、オフセット、直線性、温度変化によるノイズ、各軸に結合する入力換算磁気ノイズなどです。外部から発生する誤差には、多くの要因があります。機械的振動、磁石とセンサの間の意図しない空間的変動および公差、高速に変化する磁界、他軸角度測定などです。

高性能のリニア 3D ホール・エフェクト位置センサの重要な要素は、オンボードの角度 CORDIC (座標回転デジタル・コンピュータ) 計算機能で、 2 次元空間で反復的な三角法近似を実行して角度と振幅の両方を計算し、0.25 度の分解能を実現します。この計算をデバイス上で実行すると、磁気情報を後処理する必要がなくなります。

単軸測定、ゲイン調整、フィルタリング、データ変換など、個別の内部信号パスを持たないリニア 3D ホール・エフェクト位置センサでは、高速に変化する磁界が問題となります。誤差を低減するために、 3D ホール・エフェクト位置センサは、単一のデータ・コンバータと擬似同時サンプリングと呼ばれる機能を使って、最適なソリューションを実現します。

図 1-2 は、 Z と X₁’ のサンプリングが同時に行われる理想的な状況を示しています。しかし、磁界が変化していること、および測定を行う信号パスが単一であることにより、これは不可能です。擬似同時サンプリングでは、 X₁’ の直前と直後の X 成分 (それぞれ X₁ と X₂ と表示）の平均値を、Z に対応する X 軸の値として使用します。 磁界の変化が比較的短い期間に対して線形であると仮定すれば、この結果は、X 軸と Z 軸を同時にサンプリングした値に近似しています。

リニア 3D ホール・エフェクト位置センサは、通常、パッケージと同一面内および垂直方向の磁界を検出できるセンサ・テクノロジーを搭載しています。これらは 2 つの別のセンサであるため、それぞれの磁気ノイズは異なります。したがって、各軸のサンプルの平均をとってノイズフロアを均等化すれば好都合です。最大 32 個のサンプルを平均できるリニア 3D ホール・エフェクト位置センサを使用すると、ノイズ・フロアを大幅に低減できます。

TMAG5170のような高速で高精度の測定を実施できる高精度 3D ホール・エフェクト位置センサは、このアプリケーションで非常に役に立ちます。TMAG5170 は、最大フルスケール感度誤差 ±2.6% であり、(軸ごとの) 感度ミスマッチ誤差が小さく、温度ドリフト係数も小さいので、非常に高い精度を実現しています。このように精度が高いため、システム・レベルの較正が不要になり、総システム・コストを低減できます。さらに、 TMAG5170 は最大 20kSPS のサンプル・レートを実現しており、多くのリニア動作アプリケーションに十分な高い速度になっています。サンプル・レートの影響の詳細については、『Angle Measurement with Multi-Axis Hall-Effect Sensors』 (英語) アプリケーション・レポートを参照してください。