控制杆与Allegro位置传感器IC

作者:Christophe Lutz和Andrea Foletto
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems欧洲有限公司

介绍

操纵杆是广泛使用的人机界面(HMI)，可以同时报告方向和振幅的信息。棒状跟踪是利用磁铁和磁性来实现的
位置传感器。

本文档解释了如何实现2D或3D磁传感器，以获得具有良好定义行为的操纵杆。本文提供了两种跟踪方法的见解:直接追踪和比率跟踪．直接跟踪提供了简单的实现，而比率跟踪提供了粘贴机械效力的优异稳健性。最后，该应用笔记评估这些技术对参数变化（安装和生活中）的相对稳健性。

操纵杆的描述

机械地，操纵杆由杆组成，粘附在其基地上的球接头枢转。图1提供了操纵杆的横截面视图。

为了跟踪球棒的位置，在球的底部集成了一块磁铁，以便当球棒被启动时，球和磁铁作为一个单元移动。磁位置传感器应放置在磁铁下面适当的距离，记为气隙．

棍子跟踪

在操纵杆上的动作会影响传感器感知到的磁场。在本应用笔记中，磁体的磁化是轴向和指向下的(南极上，北极下)。检测到的磁场x、y两个方向上含有木棍位置信息，如图2所示。

增加杆的倾斜会增加感知到的信号，因为平面内的磁场分量会增加。为了关注操纵杆对倾斜的响应，θ，方便排除方向信息。

位置图中的操纵杆位置点(用黑点表示)期望按照倾斜角度和与操纵杆相同的方向移动。反应性,resp，考虑连杆位置点到中心的距离，如图3所示，表示为:

r可以表示x(当φ = 0°时)或y(当φ = 90°时)，或当方向任意时两者的任意组合。定位图中杆位点的响应度定义为:

calc

在实践中，响应率也依赖于棒的方向φ，但这种依赖通常可以排除关于其他参数，如气隙。

在下一节中将演示，响应率与从磁铁到传感器的距离密切相关，因为它会加剧或减弱磁铁边界效应，短期范围
不对称等。这个距离通常称为气隙(AG)。

对于操纵杆应用，空气间隙定亚博尊贵会员义在无倾斜，θ= 0°。

气隙的约束

如图2所定义的空气隙是应用中的关键参数，它们都会影响传感器的选择和棒的最终响应度。此参数必须符合以下机械和磁性约束。

机械约束将为一个圆柱形磁铁提供一个较低的气隙，而不是嵌入在操纵杆的球。这个约束保证了旋转物体之间没有接触
部分和传感器。

最小气隙AGMIN(MECH)可以通过考虑图4中的极限接触情况推导出来。
AN296164

在使用低灵敏度器件时，应考虑机械下界。

磁约束产生于信号电平的要求。传感器通常能够感知给定范围的磁场而不经历饱和。对于正确的行为，确保传感器在实施过程中不饱和是很重要的。在实践中，这种非饱和条件提供了一个额外的约束气隙AG_分钟(MAG)，取决于传感器的灵敏度，磁铁的形状和剩余磁场，以及最大倾角θ_马克斯．当考虑由直径10毫米的球接头组成的操纵杆时，圆柱形磁铁为1 T，直径为5.4mm，长度为1毫米，并且可以倾斜θ_马克斯= 25°时，模拟得到的最小气隙值如表1所示。

表1:气隙操纵杆磁限制

传感范围(G)	AGMIN (MAG)
传感范围(G)	x/y上没有饱和度	z不饱和
±500	1.5毫米	2.1毫米
±1000	0.9毫米	1.1毫米
±2000	0.5毫米	机械有限公司

通常，对于仅使用小倾斜角度的操纵杆（θ_马克斯≪25°)，非饱和限制在z轴上比x/y轴更受限制。为此，Allegro开发了ALS31300等传感器，在z轴上具有不同的传感范围。

由于气隙设置了信号的水平，它定义了信噪比(SNR)。该应用程序定义了最小信噪比值，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，尽管任何参数变化，由于制造，寿命漂移等。

直接和比例棒跟踪

如前所述，磁棒位置信息包含在探测到的x轴和y轴磁场中。

通过使用直接在x和y中感测的数据直接粘绕绘制图棒位置。这种技术的简单性和一般准确性足以满足大多数应用。亚博尊贵会员其主要缺点是其易受动态气隙变化的脆弱性，可能在产品的寿命期间发生。这种变化通常来自杆的垂直播放。例如，按下棒可能会导致位置图中的杆位置点跳转到另一个值。动态气隙减少将始终导致感测的磁场的增加。

为了消除这种不必要的影响，我们可以使用比值棒跟踪技术。当气隙变化时，x和y上的值或多或少会与z轴上的值有相同的变化。因此，使用x/z和y/z而不是单独使用x和y将显著减少气隙依赖性。虽然比值棒跟踪更稳健，但它确实影响响应曲线。

这种转换只是重新缩放位置图(见图5)。所有由直接木棍跟踪所包含的结果都可以直接转换为比例木棍跟踪，方法是将x(分别为y)替换为x/z(分别为y/z)。例如，从操纵杆位置点到位置图中心的距离为:
AN296164

因此，所有操纵杆矫正行为后处理都可以应用于这两种跟踪方法。两种跟踪方法的区别在于响应性和相对鲁棒性。

操纵杆的响应性

操纵杆的响应度描述了操纵杆的机械运动与传感器输出的位置图上的操纵杆位置点之间的相关性。气隙影响了这种关系。

为了解释气隙的影响，模拟了一个由直径为10毫米的球形接头、直径为1 T的圆柱形磁铁、直径5.4毫米、长度为1毫米、可以倾斜的θ制成的操纵杆_马克斯= 25°，得到直杆跟踪和比例棒跟踪结果分别如图6和图7所示。

由图6可以推导出直接跟踪的以下特性:

大的气隙导致几乎线性响应超过倾斜角度范围。

低气隙导致操纵杆在小θ角时响应呈线性，而在大θ角时响应呈非线性。这一特性在要求精度和范围(高角度高响应)的应用中很有趣。

由图7可以推导出比值跟踪的以下特性:

从曲线的叠加可以看出，气隙的影响已经大大减小了。
在不考虑气隙的情况下，小θ角时操纵杆响应呈线性，大θ角时则呈非线性。这一特性在要求精度和范围(高角度高响应)的应用中很有趣。

响应曲线的非线性主要是由带有位置的磁场非线性引起的，而不是传感器的传感非线性引起的。对于小的θ值，非线性可以忽略_MAX。

操纵杆的稳健性

气隙解决了以前的考虑(约束和行为)，传感器的位置是完全确定的。

现在，这两种跟踪技术可以面对它们对以下变化的鲁棒性:

安装精度
机械游戏

由于物理上的限制，多轴位置传感器的传感元件不能在完全相同的位置感应到磁场元件。这种微小的内在不对称性导致了不同方向上的不同反应。同样，误差图可能反映了这种不对称性。

考虑了以下参数漂移:

传感器相对于杆轴的位移。
磁铁相对于棒轴的位移。
气隙相对于参考值较小或较大。

该误差被量化为杆位点的理想位置和漂移位置之间的距离。为了比较直棍跟踪技术和比例棒跟踪技术，它们的误差分别表示为其全尺(FS)值的百分比，即r_马克斯和R._比(MAX)．

**图8:气隙变化与它的名义位置**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

图8:气隙相对于名义位置模拟假设的变化:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。 — **图8:气隙变化与它的名义位置**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

**图9:传感器相对于杆轴的位移(x轴)**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

假设:球接头直径10mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1t，直径5.4 mm，长度1mm， θMAX = 25°。 — **图9:传感器相对于杆轴的位移(x轴)**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

**图10:传感器相对于杆轴的位移(y轴)**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

假设:球接头直径为10 mm，气隙为1.2 mm，圆柱磁铁为1 T，直径5.4 mm，长度为1 mm， θMAX = 25°。 — **图10:传感器相对于杆轴的位移(y轴)**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

**图11:磁铁相对于棍轴的位移(x轴)**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

**图12：相对于杆轴（Y轴）移位的磁体**
模拟假设:球接头直径10 mm，气隙1.2 mm，圆柱磁铁1 T，直径5.4 mm，长度1 mm， θMAX = 25°。

从这些图中，可以得出以下几点结论:

大的倾斜角度总是会加剧传感器位移引起的误差。
比值跟踪对气隙变化具有更强的鲁棒性。
直接跟踪比比例跟踪对平面内位移具有更强的鲁棒性。

表2总结了最大误差，并定性地描述了误差对位置图的影响。

传感器原始数据可以进行后处理以减少系统误差(由于传感器或磁铁安装)，但不能防止漂移(由于机械发挥)。

单位位移误差:

注意，最大误差取决于最大倾斜角θMAX和操纵杆的尺寸。

表2:参数漂移造成的最大误差，没有后处理

错误
% f / 0.1毫米

直接
跟踪

比
跟踪

定性的影响

气隙
0.1 mm in z

10．8

1．6

反应性变化

传感器
0.1 mm in x
y轴0.1毫米

7．0
7．0

16．5
16．5

在位置图中添加偏移量

磁铁
0.1 mm in x
y轴0.1毫米

5．5
4．6

15.5
4．4

反应性变化;
φ_感官从山巅φ

上一表导致了一个最佳补偿的操纵杆的总误差，即操纵杆的垂直运动比水平运动大得多:

表3:经过后处理的参数漂移造成的最大误差

错误,% FS	直接追踪	率跟踪
气隙 0.1 mm in z	10.8 ×垂直玩法	1.6 ×垂直播放
传感器 0.1 mm in x y轴0.1毫米	～0 水平发挥有限	～0 水平发挥有限
磁铁 0.1 mm in x y轴0.1毫米	～0 水平发挥有限	～0 水平发挥有限

通常，直接杆跟踪方法将在安装期间表现出足够的脱离空间，但是需要控制气隙。

假设由于安装的误差通过补偿后处理减少。一旦这个系统错误被纠正，系统只能有错误由于机械发挥。在实践中,
操纵杆部件不太可能相互水平移动，例如，传感器位置相对于操纵杆轴不会在产品的使用寿命期间发生变化。什么时候可以改变气隙值
使用者可以有意或无意地对木棍施加压力(“蹲伏”)。因此，比率棒跟踪是可取的，以抑制气隙变化的误差，并有一个高度准确的操纵杆。

结论

这种操纵杆是一种装置，它的操纵杆由一个磁传感器通过一个连接在球形接头上的磁铁跟踪。

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

直接和比例棒跟踪技术已被提出;表4总结了它们的主要特性:

表4:跟踪方法比较表

跟踪	直接	比
位置的阴谋	x, y	z x / y / z
AG)分钟。	没有限制 X和Y上的饱和度	没有限制饱和度在x,y和z
AG Max。	信噪比的限制	信噪比的限制
线性和倾斜	在高AG时得到改善	需要后处理
精度和范围	在低AG水平提高	出席所有AG
机械约束没有后处理	AG)控制	传感器和磁铁放置
机械约束与后期处理	限制水平, 垂直的戏剧	限制水平戏剧
AG依赖	是的	不

通常，对于不需要极度精度的应用，直接杆跟踪方法就足够了。要制作精密操纵杆，可能需要使用比例棒
跟踪方法与后处理(如果安装精度已经不够)。这种选择提供了低气隙依赖性，创造了一个非常精确和强大的操纵杆在一生。