使用Allegro角度传感器感测长行程应用来滑动亚博尊贵会员

由Alex Latham和Wade Bussing，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC

抽象的

本申请说明是通过设计过程的设计过程，用于使用角度传感器IC用于线性位置感测，包括磁体选择和方向，输出线性化以及使用传感器IC阵列来扩展测量范围。还提供了来自许多磁铁和感测长度的测试数据，以展示这些解决方案匹配的理论和实际准确性的程度。

介绍

精确、低成本和非接触线性位置传感通常使用条形磁铁和磁性传感器集成电路或传感器集成电路阵列来完成。磁铁与移动的物体相连，传感器的位置使磁铁通过它滑动。典型的配置和字段如图1所示。当磁铁在X方向，领域y方向看起来像一个正弦波，磁场与位置线性X= 0。

图1：磁场与多个空气间隙的磁场的位置。磁体长度在所有图中绘制到刻度。

这种线性位置感应方法存在一些挑战，包括：

传感器IC和磁铁之间的气隙变化会导致测量误差。
磁强度在温度变化会导致测量误差。
磁场与位置线性的测量范围限制在磁体长度的约约50％，导致需要比测量冲程的磁体的磁体。

这三个问题都可以通过测量磁场与位置的角度来解决。

对于在应用中的典型方案上，场角与位置几乎相同。图2显示了角度与位置几乎是恒定的与位置，但它确实改变了一些，因为空气隙容差变大。
场角与场强无关。
场角是线性与大部分磁体长度上的位置，并且具有线性化，可以感测到150％或更多的行程长度为150％或更多。图3显示了在线性化以为标称气隙的空气间隙上的误差与误差误差经过(磁场在y测量方向，测量磁场角的情况。与之经过方法，只有10毫米的行程与0.5毫米的精度(为±0.5毫米的气隙公差)可以被感知的16毫米磁铁显示。然而，使用角度法，可以在相同的物理结构中感知超过30毫米的行程和±0.5毫米的精度，本质上是线性感知范围的三倍。

Allegro A1335磁角度传感器IC使用上述角度方法进行线性位置感测，因为它提供了超出精确角度测量的先进特征，例如：

角测量的分段线性化：这允许补偿角度与位置曲线附近的角度与位置曲线的非线性的补偿，将线性传感区域延伸超过磁体的边缘。这也允许将角度输出与位置的斜率调整到任何所需值。
可寻址I.²C / SPI /发送：这允许数组中的多个IC在同一总线上。
角输出夹：此功能对使用多个IC的系统非常有用，因为夹具可用于帮助MCU识别哪个传感器IC超出范围，并且应使用该传感器IC，其用于确定位置。

图2.

图2:多个气隙的磁场角与棒磁铁的位置。

图3.

图3：误差与字段和角度检测在标称气隙下线性化后的位置和角度感测。

基本系统配置

A1335在TSSOP-14封装中可用(或双模TSSOP-24用于需要冗余的系统)，并测量与封装在平面上的磁场角度。这意味着对于线性位置传感，IC需要垂直于磁体运动的方向，如图4所示。有效气隙是从磁敏感阵列(圆形垂直霍尔传感器)的中心到磁铁边缘的距离。在A1335中CVH是偏心的，因此可以用来帮助增加或减少系统中的气隙作为需要。

图4:使用A1335的系统配置

线性传感磁性系统的设计

必须选择适当的磁铁尺寸和标称气隙，以便测量冲程长度以产生具有所需精度的系统。主要是，系统需要设计：

磁角一般与位置成线性关系。
磁角足够恒定，而系统的气隙容差是足够的。
磁场强度高于基于CVH的传感器ic所需的最小值，大约为300高斯。

虽然这似乎是平衡的很多，但是有很多磁性系统，它将为特定应用工作，磁系统中的每个变量对准确度具有特定的影响，允许快速调整以提高性能，降低成本等

磁铁长度（l）：作为经验法则，磁体长度应为行程长度的至少60％。空气隙容差的线性和精度越来越远远超过磁体的边缘，因此，磁体的越长，误差越低，给定的笔划长度。
标称气隙（d):气隙的选择需要使角度与位置接近线性。空气间隙很小，尤其是在长磁铁上X和y字段将变为非正弦状（图5），角度与位置不会是线性的或在空气隙容差上是连续的或一致（图6）。一般来说，在范围内的气隙l/ 3到l/ 2运行良好。
磁铁直径(D）：一般来说，磁铁的直径越大，该领域的直径越强。使直径大致等于或略小于气隙通常适用于推荐的钕磁体。铁氧体磁铁更便宜;然而，由于它们较弱的4倍，因此需要使用明显较大的磁体来实现相同的现场水平。

总的来说，对于给定的笔划长度，l_年代，合理的设计以来是：

l＝l_年代×0.65

d＝D= 0.4×l

从那里，可以增加或解释这些参数，以满足应用程序的目标。

为了确定系统是否符合设计目标，需要建模磁场。在使用先进的3D磁性建模软件时将产生最准确的结果，在大多数情况下，它不是必需的。可以使用免费的2D仿真软件在线可以准确地建模字段。或者，在使用圆柱形磁体的情况下，可以在使用圆柱形磁体的情况下相当容易地计算，并且在附录中提供了用于执行此操作的MATLAB功能。类似尺寸的杆磁铁将导致几乎相同的领域。图7显示了使用这些方程的圆柱形磁体的理论角与气隙，以及使用A1335-两种匹配的实验结果。

图5:磁场与位置的D = 3/8″，L = 5/8″磁铁在不同的气隙

图6：D = 3/8“，L = 5/8”磁体在不同的气隙下的磁角与位置

图7:磁场角度与位置，理论和测量

线性化/校准方法

根据系统的需求，可以使用不同的线性化或校准方法。这里，描述了使用Allegro A1335样本程序员线性化A1335与位置的线性化的方法。该方法可以应用于每个系统，或者结果可以从一个系统中使用，并将发现的系数应用于所有其他系统，以获得类似的性能，以更少的影响到生产中的测试时间。

图7.5

启动编程器：将A1335连接到ASEK20，并将ASEK20连接到您的计算机。启动样本程序员软件和电源在A1335上。有关使用程序员入门的更多详细信息，请参阅Allegro A1335样本程序员用户手册。
转到长行程标签:“长行程”标签的程序员帮助自动化使用分段线性化的过程可用的A1335线性位置应用程序。亚博尊贵会员它还有助于掩盖这样的事实，即角度测量是处理和只工作在位置。
确定旅行范围和代码/ mm：使用该方法的线性化的全部范围是代码256到代码3840，避免零的零点发生的范围，因此完全笔划需要适合该范围内。这意味着代码/ mm值，CPMM，应该：

例如，如果行程长度为25毫米，CPMM应为143.36代码/ mm或更小，因此该值可能会向下舍入到整数，或者可能128，以简化其微控制器中的数学以将从代码转换为毫米。如果在样本程序员中输入“旅行范围”为25，然后单击“计算MM /步骤和代码/ mm”按钮，则CPMM值将显示。然后该值可以舍入到所需的数量;此后，单击“计算范围和MM /步骤”按钮。这将重新计算基于新的“旅行范围”CPMM价值。例如，如果CPMM圆形到128，“旅行范围”现在是28毫米，在所需的25mm测量范围内提供合理的余量。
确定每个线性化步骤：分段线性化点是每256个代码，因此确定每个线性化点之间移动多少毫米。

对于上面考虑的例子，mmstep应该大于1.79 mm，因为CPMM被选为128，毫米_步是2毫米。该值显示在样本程序员中，并且在数据输入表中看到的结果是每个线性化点之间的毫米差值。
开始线性化测量X= 0:填写测量表。基本上，在每一个“距离”，测量传感器的原始输出。线性化后，用“Distance”和“Desired”代码列描述线性传递函数。开始的位置X= 0（磁铁以CVH传感器为中心），确保突出显示“距离”= 0行，并单击读取值按钮。然后将“测量”列与传感器读数填充，突出显示的行将移位。
继续线性化测量：步入位置毫米_步，读取传感器输出到表的正确行。该过程如下：
1. N= 1
2. 迈出职位X＝N＊毫米_步．
3. 确保行X＝N＊毫米_步突出显示。每次读取后，该软件将递增/递减行，通过测量来引导。
4. 单击“读取值”按钮以从A1335读取值，并在突出显示的行中填充测量值。
5. 重复步骤b到d，递增N每次直到N= 7。
6. 除了重复步骤b到dN现在从-1到-7。
计算和应用系数：单击“计算和程序设备”按钮。这将计算偏移和线性化的正确值，并将其编程到设备。
检查性能：单击“开始测试”按钮以不断读出传感器的位置。然后移动磁铁并检查传感器的读数。

线性化传感器输出的一个例子如图8所示。在这里，每个线性化点的位置都改变2毫米，毫米_步= 2.这意味着CPMM= 256/2 = 128代码/ mm，是线性化后传感器输出的斜率，如图8所示。此外，在位置X= 0，传感器输出2048。

图8.

图8：空气间隙上的A1335线性化输出。磁铁1。

多个磁体和行程长度的实验结果

线性化结果下面提供三种不同的中风长度的不同磁体。所使用的每个磁体的键值在下表中给出（所有磁铁都是钕）：

磁铁			行程	毫米_步
＃	直径	长度	行程	毫米_步
1	6.4毫米	15.9毫米	25毫米	2毫米
2	9.5毫米	19毫米	30毫米	3毫米
3.	12.7毫米	38.1毫米	50毫米	4毫米

下面的每个磁体的图示出了输出角与位置，并且在多个空气间隙上的测量位置与位置之间的误差。该错误基于理想的传感器输出，应该是：

方程5-1

重新排列本说明如何从A1335的传感器输出转换为X位置。

方程5-2

误差就是实际的X位置和计算X来自传感器IC输出的位置。对于磁体1，该误差如图9所示。

图9.

图9：测量误差与空气间隙上的位置。磁铁1。

图10.

图10：A1335的线性化输出在空气间隙上。磁铁2。

图11

图11：测量误差与空气间隙上的位置。磁铁2。

图12

图12：气隙内的A1335线性化输出。磁铁3。

图13

图13：测量误差与空气间隙上的位置。磁铁3。

精度超过温度和分辨率

使用用于感测线性位置的角度方法的主要益处之一是它在气隙和温度上高度精确。前一节均以气隙精确处理。高温的精度主要取决于所用传感器的角度精度。

A1335过温的精度约为±1.3度;但是，这必须转换为系统中的毫米。随着角度误差相对于非线化角度输出，必须考虑扫过的原始角度，在完全行程中的扫描约为180度。这可以在图2中可以看出。然后可以计算定位测量中的错误作为：

方程6-1

卒中25毫米，l_年代= 25，温度误差为±0.18毫米。可以使用基本相同的方法计算位置分辨率。对于A1335，角度分辨率为0.8度（3个σ）。这意味着25 mm行程的位置分辨率将为0.8 / 180×l_年代= 0.11毫米。当然，如果A1335的内部过滤被启用或者读取数被平均，这个分辨率将会提高。

使用多个传感器IC扩展感测范围

扩大传感范围可以通过增加磁铁的大小，遵循上述指导方针，或通过添加更多的传感器ic到系统。随着理想的行程长度越来越大，成本和更大的磁铁的尺寸将推动解决方案使用多个传感器。图14显示了使用多个传感器的配置。这里使用了三个传感器ic，但这可以扩展到n传感器IC。

图14

图14：使用多个A1335角度传感器的系统配置

所需的笔划长度，l_年代，被除以n（3在图14的情况下）为了具有有效的行程长度，l_赛，的：

方程7 - 1

然后设计磁系统l_赛，使用上述方法，以及n传感器间隔开l_赛，远离彼此，中心到中心。除了使磁铁更小，这也导致温度较低，如l_年代降低了：

方程7 - 2

由于磁体通过超出一个传感器的范围，因此它进入下一个传感器的范围。用A1335确定从相当简单的读取位置的传感器IC。在正常操作期间，如果从当前使用的传感器的位置读取的位置读取超出l_赛/ 2在任一方向上，切换到下一个传感器。避免在两个传感器之间来回切换很多l_赛/ 2，一些迟滞可以添加到这个切换，等待位置超过一点l_赛/ 2切换前。在启动时，或者在长期未读取位置之后，可能需要确定N个传感器中的哪一个用于读取位置。这里的挑战是，如果n很大，则一些传感器可能没有足够的字段来提供有效的输出。这里，A1335的低场误差寄存器可用于确定要忽略的传感器输出。然后，应选择具有最靠近180度的角度输出的传感器作为有源传感器。

结论

总体而言，磁角传感器芯片比单轴磁传感器芯片更适合线性位置传感。基于cvh的角度传感器ic的Allegro线，如A1335，非常适合这些应用，提供了先进的功能，如分段线性(PWL)线性化和可寻址SENT, I亚博尊贵会员²C，或SPI，有助于将可用的传感范围从磁体扩展，并简化和降低总系统的成本。

附录 - ：MATLAB功能用于计算圆柱形磁体的场

功能[BZ，BR] = CYL_FIELD（B，L，RADIUS，Z，R）
％Bz和Br是圆柱形磁体的Z和径向
％B是材料的剩余电感，L是长度
％磁铁和半径是磁铁的半径。
％z是沿z轴的磁铁中心的距离，以及r
％是沿径向磁铁的距离。
Bz = @（r，phi，z，l，r）r。*（l / 2-z）./（（r. ^ 2 +（l / 2-z）。^ 2 + r。^ 2-2* r. * r。* cos（phi））。^（3/2））...
+ r。*（l / 2 + z）./（（r. ^ 2 +（l / 2 + z）。^ 2 + r。^ 2-2。* r. * r。* cos（phi））。^（3/2））;
br = @（r，phi，z，l，r）-r./2.* (2.*r-2.* r.*cos（phi)./ :(r.^2+（2-Z）。^ 2 + r。^ 2-2。* r. * r。* cos（phi））。^（3/2））...
+ R. / 2。*（2. * R-2。* R. * COS（PHI））./（（r. ^ 2 +（l / 2 + z）。^ 2 + r。^ 2-2。* r. * r。* cos（phi））。^（3/2））;
如果在磁体内部，％修复现场计算值
if（z <= l / 2 * 1.01）&&（z> -l / 2 * 1.01）&&（abs（r）<=半径* 1.01）
Bz = B / 2;
br = 0;
别的
bz = -b./(4*pi)* integral2 (@（r，whi)bz (r，whi ,z ,l ,,,,,,,0,2*pi）;
br = -b./(4*pi)*integral2 (@（r，照片gr（r，whi，sz，l）,,,,,0,2*pi）;
结尾
结尾