操纵杆与快板位置传感器IC

操纵杆与快板位置传感器IC

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克里斯托弗·卢茨和安德里亚·福莱托，
亚博棋牌游戏快板微系统欧洲有限公司

简介

操纵杆是广泛使用的人机界面(HMI)，同时报告方向和振幅信息。棍棒跟踪是利用磁体和磁棒来实现的
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的行为的操纵杆。本文介绍了两种跟踪方法:直接追踪而且率跟踪．直接跟踪提供了简单的执行方法，而比率跟踪则为机制玩法提供了出色的健壮性。最后，本应用笔记评估了这些技术对参数变化(安装和使用寿命)的相对稳健性。

操纵杆的描述

从机械上看，操纵杆由一根通过其底座上的球关节旋转的操纵杆组成。图1提供了操纵杆的横截面视图。

为了跟踪杆的位置，在球的底部集成了一块磁铁，以便当杆被驱动时，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方适当的距离，记为气隙．

坚持跟踪

操纵杆的动作会影响传感器感应到的磁场。在这个应用笔记中，磁铁的磁化是轴向的，指向下(南极向上，北极向下)。磁棒位置信息包含在x和y方向的感应磁场中，如图2所示。

由于平面内磁场分量的增加，增加杆的倾斜也会增加感应到的信号。为了关注操纵杆对倾斜的响应，θ，便于排除定向信息。

位置图中的操纵杆位置点(由黑点表示)预计将根据倾斜角度和与操纵杆相同的方向移动。反应性,分别地时，应视为杆位点到中心的距离，如图3所示，表示为:

r可以表示x(当φ = 0°时)或y(当φ = 90°时)，也可以表示两者的任意组合。位置图中杆位点的响应度定义为:

在实践中，响应度也取决于杆的方向φ，但这种依赖关系通常可以与其他参数(如气隙)相排除。

正如将在下一节中演示的那样，响应度与磁铁到传感器的距离密切相关，因为它可以加剧或抑制磁铁边界效应，短尺度
不对称等。这个距离通常称为气隙(AG)。

对于操纵杆应用，气隙定义为亚博尊贵会员不倾斜，θ= 0°。

气隙约束

图2中定义的气隙是应用中的一个关键参数，它既影响传感器的选择，也影响杆的最终响应度。该参数必须符合以下机械和磁约束。

机械约束将为圆柱形磁铁的气隙提供一个下界，而圆柱形磁铁没有嵌入在操纵杆的球中。这个约束保证了旋转之间没有接触
部分和传感器。

最小气隙，AGMIN(MECH)可以通过考虑图4中的极限接触情况来推导。

在使用低灵敏度装置时，应考虑机械下限。

磁约束产生于信号电平要求。该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，确保传感器在执行过程中不饱和是很重要的。在实践中，这种非饱和条件对气隙AG提供了额外的约束_分钟(MAG)，取决于传感器的灵敏度，磁铁的形状和剩余磁场，以及最大倾斜角度θ_马克斯．当考虑一个由直径10毫米的球接头组成的操纵杆，一个1 T的圆柱形磁铁，直径5.4毫米，长度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:操纵杆对气隙的磁限制

传感范围(G)	AGMIN (MAG)
	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

一般来说，对于只使用小倾斜角度的操纵杆(θ_马克斯与x/y轴相比，不饱和约束在z轴上的限制更大。为此，Allegro开发了ALS31300等传感器，在z轴上具有不同的传感范围。

由于气隙决定了信号的电平，它决定了信噪比(SNR)。该应用程序定义了信噪比的最小值，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、寿命漂移等原因而发生任何参数变化。

直接和比率棒跟踪

如前所述，棒的位置信息包含在x轴和y轴上的感应磁场中。

直接木棍跟踪图通过直接在x和y上感知的数据来粘贴位置。这种技术的简单性和一般准确性足以满足大多数应用。亚博尊贵会员它的主要缺点是易受动态气隙变化的影响，这可能发生在产品的生命周期内。这种变化通常来自于杆的垂直演奏。例如，按压摇杆可能会导致位置图中的摇杆位置点跳转到另一个值。动态气隙的减小总是会导致感应磁场的增加。

为了对抗这种不必要的影响，可以实施比率棒跟踪技术。当气隙变化时，x和y上的感知值与z轴上的感知值变化大致相同。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。尽管比率杆跟踪更稳健，但它确实会影响响应曲线。

这种转换只是简单地重新缩放位置图(见图5)。通过将x(分别为y)替换为x/z(分别为y/z)，直接棍跟踪所包含的所有结果都可以直接转换为比例棍跟踪。例如，从摇杆位置点到位置图中心的距离为:

因此，所有操纵杆纠错行为的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性和对变化的相对鲁棒性方面的差异是有区别的。

操纵杆的响应能力

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。气隙影响这种关系。

为了解释气隙的影响，模拟了一个由直径为10mm的球接头，直径为5.4 mm，长度为1mm的圆柱形磁铁制成的操纵杆，该磁铁可以倾角θ_马克斯= 25°时，直接杆跟踪和比例杆跟踪结果分别如图6和图7所示。

由图6可以推导出直接跟踪的性质如下:

• 大的气隙导致在倾斜角度范围内几乎线性响应。

• 低气隙导致操纵杆对小θ角线性响应，而对大θ角非线性响应。这一特性在同时要求精度和范围(高角度下的高响应)的应用中很有趣。

由图7可以推导出比率跟踪的以下性质:

• 通过曲线的叠加，可以看出气隙的影响大大减小。
• 在不考虑气隙的情况下，小θ角时摇杆响应为线性，大θ角时摇杆响应为非线性。这一特性在同时要求精度和范围(高角度下的高响应)的应用中很有趣。

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感知。θ值小时，非线性可以忽略不计_MAX。

操纵杆对变化的鲁棒性

气隙从前面的考虑(约束条件和行为)中解决，传感器的位置完全确定。

现在，这两种跟踪技术可以在对变化的鲁棒性方面遇到问题，原因如下:

• 安装精度
• 机械玩

由于物理条件的限制，多轴位置传感器的传感元件无法对同一位置的磁场分量进行感应。这种微小的内在不对称导致了不同方向的不同反应。同样，误差图可以反映这种不对称性。

考虑了以下参数漂移:

• 传感器相对于杆轴位移。
• 磁体相对于磁棒轴的位移。
• 气隙变小或变大相对于其参考值。

误差被量化为杆位点的理想位置与漂移位置之间的距离。为了比较直杆跟踪技术和比例棒跟踪技术，分别用其全量程(FS)值的百分比表示误差，即r_马克斯和r_比(MAX)．

从这些图中，可以得出以下几点结论:

• 由于传感器的位移，较大的倾斜角度总是会加剧误差。
• 比率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面内位移的鲁棒性更好。

表2总结了最大误差，定性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)，但不能防止寿命周期内的漂移(由于机械作用)。

单位位移误差:

请注意，最大误差取决于最大倾斜角度θMAX和操纵杆的尺寸。

表2:参数漂移导致的最大误差，无后处理

错误 % f / 0.1毫米	直接 跟踪	比 跟踪	定性的影响
气隙 z长度0.1 mm	10.8	1．6	反应性变化
传感器 x长0.1 mm y长0.1 mm	7.0 7.0	16.5 16.5	在位置图中添加偏移量
磁铁 x长0.1 mm y长0.1 mm	5.5 4.6	15.5 4.4	反应性变化; φ感觉到从φ漂移

根据上表，优化补偿的操纵杆垂直方向的总误差远大于水平方向的总误差:

表3:参数漂移导致的最大误差，加上后处理

错误,% FS	直接追踪	率跟踪
气隙 z长度0.1 mm	10.8 ×垂直播放	1.6 ×垂直播放
传感器 x长0.1 mm y长0.1 mm	~ 0 横向游戏有限公司	~ 0 横向游戏有限公司
磁铁 x长0.1 mm y长0.1 mm	~ 0 横向游戏有限公司	~ 0 横向游戏有限公司

一般情况下，直接棒跟踪法对安装过程中的错位有足够的免疫力，但需要控制气隙。

假设通过补偿后处理减小了安装误差。一旦这个系统错误被纠正，系统就只能由于机械作用而产生错误。在实践中，
操纵杆部件不太可能水平移动，例如，相对于操纵杆轴的传感器位置在产品的生命周期内不会变化。什么时候会改变气隙值
用户可以有意或无意地对操纵杆施加压力(“蹲下”)。因此，为了抑制气隙变化误差，获得高精度的操纵杆，需要进行比例杆跟踪。

结论

操纵杆是一种装置，其操纵杆由磁传感器通过连接在球关节上的磁铁跟踪。

一些操纵杆行为可以从操纵杆结构特征中生成(不管后处理)。如前所述，气隙将是线性度和信号的关键参数
的水平。气隙不能小于机械性能和磁性能共同确定的阈值。

提出了直接跟踪技术和比例棒跟踪技术;表4总结了它们的主要特征:

表4:跟踪方法对照表

跟踪	直接	比
位置的阴谋	x, y	z x / y / z
AG)分钟。	不受限制 x和y的饱和度	不受限制 x y z的饱和度
AG Max。	受信噪比限制	受信噪比限制
倾斜线性	在高AG条件下改善	需要后 处理
精度和范围	低AG改善	出席所有会议
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	限制水平和 垂直的戏剧	限制水平油气藏
AG)的依赖	是的	没有

一般来说，对于不要求极高精度的应用，直接木棍跟踪方法就足够了。为了制作精确的操纵杆，可能需要使用比例操纵杆
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，并创建了一个非常精确和坚固的操纵杆。

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