带Allegro位置传感器IC的操纵杆

带Allegro位置传感器IC的操纵杆

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作者：克里斯托夫·卢茨和安德里亚·福莱托，
雷竞技竞猜下载Allegro微系统欧洲有限公司

介绍

操纵杆是广泛使用的人机界面（HMI），可同时报告方向和振幅信息。利用磁铁和磁头实现了棒跟踪
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。

操纵杆说明

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。

为了跟踪斗杆的位置，磁铁集成在球的底部，以便在操纵斗杆时球和磁铁作为一个单元移动。磁性位置传感器应放置在磁铁下方适当的距离处，表示为气隙.

棍子跟踪

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。

由于面内磁场分量增加，增加斗杆的倾斜会增加感测信号。关注操纵杆相对于倾斜的响应度，θ，便于排除方向信息。

位置图中的斗杆位置点（由黑点表示）应根据倾斜角度和与斗杆相同的方向移动。响应度，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，响应度还依赖于棒的方向φ，但这种依赖性通常可以排除在其他参数（如气隙）之外。

下一节将演示，响应度与磁铁到传感器的距离密切相关，因为它会加剧或抑制磁铁边界效应，即短尺度效应
这种距离通常称为气隙（AG）。

对于操纵杆应用，气隙定义为雷竞技最新网址不倾斜，θ= 0°.

气隙限制

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。

机械约束将为未嵌入操纵杆球中的圆柱形磁铁提供气隙下限。此约束确保旋转轴之间没有接触
零件和传感器。

最小气隙AGMIN（MECH）可以通过考虑图4中的极限接触情况来推导。

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_{最小值（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°，模拟得出表1所示的最小气隙值。

表1：操纵杆气隙磁限制

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

通常，对于仅使用小倾斜角度的操纵杆（θ_马克斯≪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。

直接和比例棒跟踪

如前所述，斗杆位置信息包含在x和y轴上的感应磁场中。

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。雷竞技最新网址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棒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。

这个转换只是重新缩放位置图（参见图5）。用x/z（y/z）代替x（y/z）可以直接转化为比例跟踪。例如，从斗杆位置点到位置图中心的距离变为：

因此，所有的纠正行为后处理都可以应用于这两种跟踪方法。这两种跟踪方法在响应度和对变化的相对鲁棒性上的差异使它们不同。

操纵杆的响应度

操纵手柄的响应度描述了斗杆的机械运动与传感器输出的位置图上的斗杆位置点之间的相关性。气隙会影响这种关系。

为了解释气隙的影响，模拟了一个由直径为10毫米的球头、直径为5.4毫米、长度为1毫米、可倾斜θ的圆柱形磁铁组成的操纵杆_马克斯=25°，分别给出了图6和图7所示的直接和比率棒跟踪结果。

从图6可以推断出直接跟踪的以下特性：

• 大的气隙导致倾斜角度范围内几乎呈线性响应。

• 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。
• 无论气隙大小，小θ角时操纵杆响应为线性，大θ角时操纵杆响应为非线性。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。

响应曲线的非线性主要是由于磁场随位置的非线性，而不是由于传感器的传感。对于θ的小值，非线性可以忽略_最大值。

操纵杆对变化的鲁棒性

气隙从以前的考虑（约束和行为）解决，传感器的位置是完全确定的。

现在，这两种跟踪技术在其抗变化的鲁棒性方面面临挑战，因为：

• 安装精度
• 机械游戏

由于物理限制，多轴位置传感器的传感元件不能在完全相同的位置感测磁场分量。这种微小的内在不对称导致了不同方向的不同反应。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：

• 传感器相对于斗杆轴发生位移。
• 磁铁相对于斗杆轴移动。
• 相对于其参考值，气隙更小或更大。

误差被量化为理想位置和杆位置点漂移位置之间的距离。为了比较直接跟踪技术和比率棒跟踪技术，它们的误差分别表示为其满标度（FS）值的百分比，即r_马克斯和R._{比率（最大）}.

从这些曲线图中，可以得出几个观察结果：

• 由于传感器位移，大的倾斜角度总是会加剧误差。
• 比率跟踪对气隙变化更为稳健。
• 直接跟踪比比率跟踪对面内位移的鲁棒性更强。

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）。

单位位移误差：

请注意，最大误差取决于最大倾斜角度θMAX和操纵手柄的尺寸。

表2：参数漂移导致的最大误差，无后处理

错误 %FS/0.1毫米	直接 跟踪	比率 跟踪	质量效应
气隙 z方向0.1 mm	10.8	1.6	变化响应度
传感器 0.1毫米x y方向0.1 mm	7 7	16.5 16.5	在位置图中添加偏移
磁铁 0.1毫米x y方向0.1 mm	5.5 4.6	15.5 4.4	响应度变化； φ感官偏离φ

上表给出了最佳补偿操纵杆的总误差，其中斗杆垂直间隙远大于水平间隙：

表3：参数漂移引起的最大误差，带后处理

错误，%FS	直接跟踪	比率跟踪
气隙 z方向0.1 mm	10.8×垂直间隙	1.6×垂直间隙
传感器 0.1毫米x y方向0.1 mm	~0 水平播放限制	~0 水平播放限制
磁铁 0.1毫米x y方向0.1 mm	~0 水平播放限制	~0 水平播放限制

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。

假设安装误差通过补偿后处理减小。一旦纠正了系统误差，系统就只能因机械间隙而产生误差。在实践中
操纵杆部件之间不可能水平移动，例如，在产品使用寿命期间，传感器相对于斗杆轴的位置不会发生变化。当空气间隙值
使用者有意或无意地对棍子施压（“蹲伏”）。因此，比率棒跟踪是理想的，以抑制气隙变化误差，并有一个高度准确的操纵杆。

结论

操纵杆是一种装置，有一根棍子，由磁性传感器通过连接在球头上的磁铁跟踪。

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。

介绍了直接和比率棒跟踪技术；表4总结了它们的主要特点：

表4：跟踪方法对照表

跟踪	直接	比率
位置图	x、 是的	x/z、y/z
AG最小值。	不受限制 X和Y上的饱和度	不受限制 x，y和z上的饱和
AG最大值。	受信噪比限制	受信噪比限制
倾斜线性	在高银时提高	需要发布- 处理
精度和范围	在低银时提高	在所有AG
机械约束 不带岗位- 处理	AG控制	传感器和磁铁 安置
机械约束 带后处理	限制水平和 垂直播放	限制水平戏剧
AG依赖	是的	没有

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
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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