与Allegro位置传感器IC的操纵杆

与Allegro位置传感器IC的操纵杆

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由Christophe Lutz和Andrea Foletto，
亚博棋牌游戏Allegro微系统欧洲有限公司

介绍

Joysticks are widely used human–machine interfaces (HMI)that simultaneously report information on direction and amplitude. Stick tracking is realized by use of a magnet and a magnetic
位置传感器。

本文档说明如何实现2D或3D磁传感器，以获得具有明确行为的操纵杆。本说明提供了两种跟踪方法的见解：直接跟踪and右atio tracking.直接tracking offers a straightforward implementation, while ratio tracking offers excellent robustness to stick mechanical play. Finally, this application note assesses the relative robustness of these techniques to parameter variations (mounting and in-life).

操纵杆描述

Mechanically, a joystick consists of a stick that pivots through a ball joint on its base. Figure 1 provides a cross-sectional view of a joystick.

为了追踪杆的位置，磁铁集成在球的底部，以使球和磁体随着杆被致动时移动。磁性位置传感器应放置在磁铁下方合适的距离，表示为air gap.

Stick Tracking

操纵杆上的操作将影响传感器感应到的磁场。在本应用说明中，磁铁的磁化是轴向的，并指向下方（南极向上，北极向下）。如图2所示，斗杆位置信息包含在x和y方向的感应磁场中。

增加杆的倾斜度增加了感测信号，因为面内磁场分量增加。专注于操纵杆对倾斜的响应，θ.，排除方向信息是方便的。

位置图中的杆位置点（由黑点表示）预计将根据倾斜角和与棍子相同的方向移动。响应性，Resp，应考虑从斗杆位置点到中心的距离，如图3所示，表示为：

右可以表示x（当φ=0°时）或y（当φ=90°时）或任意方向时两者的任意组合。位置图中斗杆位置点的响应度定义为：

在实践中，响应性也取决于杆，φ的取向，但通常可以将这种依赖性排除在诸如气隙之类的其他参数之外。

作为将在下一节中,响应nsivity is closely related to the distance from the magnet to the sensor since it can exacerbate or dampen magnet border effect, short-scale
这种距离通常称为气隙（AG）。

对于操纵杆应用，空气隙无倾亚博尊贵会员斜，θ.= 0°.

气隙限制

Air gap as defined in Figure 2 is a key parameter in the application that will both affect the selection of sensor and the final responsivity of the stick. This parameter must comply with the following mechanical and magnetic constraints.

机械约束将为不嵌入操纵杆的球中的圆柱形磁体提供下限的气隙。该约束确保旋转之间没有接触
零件和传感器。

通过考虑图4中的极限接触案，可以推导出最小气隙，AGMIN（机械）。

当使用低灵敏度装置时，应考虑机械下限。

磁约束源于信号电平要求。传感器通常能够在不经历饱和的情况下感测给定范围的磁场。对于正确的行为，重要的是确保传感器在执行过程中不会饱和。实际上，这种非饱和条件对气隙AG提供了额外的限制_MIN（MAG），取决于传感器的灵敏度，磁体的形状和常离磁场，以及最大倾斜角，θ_最大.When considering a joystick consisting of a ball joint of 10 mm diameter, a cylindrical magnet of 1 T, diameter 5.4 mm, length 1 mm, and which can be tilted ofθ._最大= 25°，模拟导致表1中所示的最小气隙值。

表1：操纵杆气隙磁限制

感应范围（G）	AGMIN(MAG)
	x / y没有饱和	没有饱和z
±500.	1.5毫米	2.1 mm
±1000	0.9毫米	1.1毫米
±2000.	0.5毫米	机械限制

Generally, for joysticks that use only small tilt angles (θ._最大≪25°），相对于x/y轴，非饱和约束在z轴上的限制性更强。为此，Allegro开发了诸如ALS31300之类的传感器，在z轴上具有不同的感应范围。

由于气隙设置了信号的电平，它定义了信噪比（SNR）。应用程序定义了SNR的最小值，从而定义了气隙的上限AGMAX（MAG）。

注：应考虑安全裕度，以确保气隙保持在其允许范围内，尽管由于制造、寿命漂移等引起的任何参数变化。

直接和比率杆跟踪

如前所述，杆位置信息包含在X和Y轴上的感测磁场中。

直接stick tracking plots stick position by using the data sensed in x and y directly. The simplicity and general accuracy of this technique is sufficient for most applications. Its major drawback is its vulnerability to dynamic air gap variations that may occur during the lifetime of the product. This variation is typically from vertical play of the stick. For instance, pressing on the stick may cause the stick position point in the position plot to jump to another value. A dynamic air gap reduction will always lead to an increase of the magnetic field sensed.

为了克服这种不必要的影响，比率棒跟踪技术可以实现。当气隙变化时，x轴和y轴上检测到的值或多或少与z轴上检测到的值具有相同的变化。因此，使用x/z和y/z代替单独的x和y将显著降低气隙依赖性。虽然比棒跟踪更稳健，但它确实会影响响应曲线。

该转换只需重新缩放位置图（见图5）。直接杆跟踪包含的所有结果都可以通过X / Z（分别的Y / Z）代替X（分别Y）来直接地转换为比率杆跟踪。作为示例，距离杆位置点到位置绘图中心的距离变为：

因此，所有操纵杆纠正行为都可以应用于两种跟踪方法。对变化的响应性和相对稳健性的差异区分了两种跟踪方法。

操纵杆的响应度

操纵杆的响应性描述了杆的机械运动与其杆位置点之间的位置图，其位置图是传感器的输出。气隙会影响这种关系。

为了解释气隙的效果，用于操纵杆的仿真，由直径为10 mm的球接头，圆柱形磁体为1 T，直径为5.4mm，长度为1mm，可以倾斜θ_最大= 25°，可分别提供如图6和图7所示的结果，分别用于直接和比率杆跟踪。

从图6可以推断出直接跟踪的以下特性：

• 大气隙导致倾斜角度范围几乎线性响应。

• 低气隙导致操纵杆以小θ角线性响应，而大角度特性变为非线性。该特性在要求精度和范围（高角度下的高响应度）的应用中非常有趣。

从图7可以推断出比率跟踪的以下特性：

• 曲线的叠加显示，气隙的影响已大大减小。
• 无论气隙如何，操纵杆响应都是线性的，对于小θ角度，而特征变为大角度的非线性。此功能在需要精度和范围（高角度高响应度）的应用中很有趣。

响应曲线非线性主要是由于磁场的非线性与位置而不是传感器的感测。对于θ的小值，可以忽略非线性_最大。

操纵杆对变化的鲁棒性

从先前考虑（约束和行为）寻址的空气隙，传感器的位置完全确定。

现在，两种跟踪技术可以根据稳健性对抗因子而面临：

• 安装精度
• Mechanical play

由于物理限制，多轴位置传感器的感测元件不能感测磁场分量在完全相同的位置。这种微小的内置不对称导致不同方向的不同响应。同样，错误图可能反映这种不对称性。

已考虑以下参数漂移：

• 传感器相对于杆轴移位。
• 磁铁相对于斗杆轴移动。
• 相对于其参考值，气隙小或更大。

错误被量化为杆位置点的理想和漂移位置之间的距离。为了比较直接和比率棒跟踪技术，它们的错误被分别表示为它们的全尺度（FS）值的百分比，即r_最大and r_{比率（最大）}.

从这些地块中，可以进行若干观察结果：

• 由于传感器位移，大的倾斜角将始终加剧错误。
• 比率跟踪对气隙变化更加坚固。
• 直接跟踪对面内位移比比率跟踪更强大。

表2总结了最大误差，定性地描述了误差对位置图的影响。

可以对传感器原始数据进行后处理，以减少系统误差（由于传感器或磁铁安装），但不会防止在使用寿命内发生漂移（由于机械间隙）。

每单位位移时出错：

请注意，最大误差取决于最大倾斜角θmax和操纵杆的尺寸。

Table 2: Maximum errors due to parameters drifts, no post-processing

Error %FS/0.1 mm	直接 跟踪	比 跟踪	定性效果
气隙 0.1 mm在z	10.8	1.6	改变响应性
传感器 0.1 mm in x 在y中0.1毫米	7 7	16.5 16.5	在位置绘图中添加偏移量
磁铁 0.1 mm in x 在y中0.1毫米	5.5 4.6	15.5 4.4	改变响应性; φSENSED偏离φ

前面的表格导致最佳补偿操纵杆的总误差，其杆垂直播放远大于水平播放：

表3：参数漂移引起的最大误差，后处理

错误，％fs	直接跟踪	比率跟踪
气隙 0.1 mm在z	10.8×垂直播放	1.6×垂直间隙
传感器 0.1 mm in x 在y中0.1毫米	〜0 横向戏剧有限公司	〜0 横向戏剧有限公司
磁铁 0.1 mm in x 在y中0.1毫米	〜0 横向戏剧有限公司	〜0 横向戏剧有限公司

Generally, the direct stick tracking method will exhibit sufficient immunity to misplacements during mounting, though control of air gap is required.

假设由于补偿后处理而导致的误差减少。一旦纠正了这种系统错误，系统只能由于机械播放而具有错误。在实践中，
操纵杆部件不太可能水平彼此移动，例如，传感器位置相对于杆轴在产品的寿命期间不会变化。可以改变的是气隙值
用户有意地对杆上的压力（“克劳奇”）应用于杆上。因此，希望粘合跟踪是希望抑制气隙变化误差并具有高精度的操纵杆。

结论

操纵杆是具有由磁传感器通过附接到球接头的磁体跟踪的杆的装置。

操纵杆的结构特征可以生成多个操纵杆行为（不考虑后期处理）。如前所述，气隙将是线性和信号的关键参数
水平。气隙不能小于由机械和磁性特性定义的阈值。

已经提出了直接和比率杆跟踪技术;表4总结了其关键特性：

表4：跟踪方法对比表

跟踪	直接	比
位置情节	x、 是的	x/z, y/z
AG最小值。	没有 saturation on x and y	没有 x，y和z上的饱和
ag max。	受到SNR的限制	受到SNR的限制
与倾斜的线性	在高银时提高	需要帖子 - 加工
精度和范围	在低银时提高	全部AG
机械约束 没有帖子 - 加工	AG控制	传感器和磁铁 安置
机械约束 随着后处理	限制水平和 垂直戏剧	Limit horizontal plays
AG dependence	是	No

Generally, for an application that does not require extreme precision, a direct stick tracking method will be sufficient. To make a precision joystick, it might be necessary to use a ratio stick
后处理跟踪方法（如果安装精度不够）。此选项提供了低气隙依赖性，并创建了一个操纵杆，该操纵杆在整个使用寿命内非常精确和坚固。

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