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使用角度传感器IC进行滑动线性位置传感

Alex Latham,Wade Bussing 2019-04-11

有许多应用,特别是在汽车系统中,需要以高精度和高可靠性测量物体的水平运动。一些常见的解决方案基于电位计,LVDT(线性电压差动变压器)和带磁场传感器的磁铁。基于电位计的解决方案易于机械磨损,LVDT大而且昂贵,并且磁铁加传感器解决方案通常精度较低。k0W电子头条

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然而,通过使用磁场角度传感器IC代替传统的单轴传感器,几乎消除了与磁铁和传感器解决方案相关的主要误差源,从而实现了低成本,高可靠性和高精度的线性方法滑动位置感应。 k0W电子头条

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磁铁加磁传感器解决方案在结构上非常基础。条形磁铁附着在移动物体上,传感器IC定位成使磁铁滑动。传感器IC看到的磁场如图1a所示。当磁体在x方向上滑动时,y方向上的场(通常是感测到的)看起来像正弦波,磁场/位置关系在x = 0(磁体的中心)附近是线性的。在该区域中,传感器的输出为用户提供相对于位置的线性输出。k0W电子头条

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图1a:针对多个气隙针对条形磁铁的位置绘制的磁场。在所有图中按比例绘制磁铁长度k0W电子头条

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图1b:针对多个气隙的条形磁铁的位置绘制的磁场角度。k0W电子头条

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这种方法面临一些挑战,包括:k0W电子头条

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1.传感器和磁铁之间的气隙变化可能导致测量误差,这对于安装和产品寿命的变化都是一个问题。k0W电子头条

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2.磁铁强度随温度变化,如果没有得到补偿,可能会导致测量误差。虽然可以在磁传感器IC上包括温度传感器来进行这种补偿,但是磁体和传感器IC可能并不总是处于相同的温度。k0W电子头条

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3.磁场与位置成线性的测量范围被限制在磁体长度的约50%,导致需要比测量距离长得多的磁体。k0W电子头条

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通过测量磁场与其位置的角度来解决所有这三个问题,如下所示:k0W电子头条

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1.如图1b和图2所示,相对于典型公差的气隙,视场角与位置几乎相同。 k0W电子头条

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2.视场角与场强无关。k0W电子头条

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3.场角与位置曲线在大部分磁体长度上是线性的,并且通过分段线性化,可以感测到磁体长度的150%或更多的行程长度。图2示出了在标称气隙处应用分段线性化之后的气隙上的误差/位置关系,对于测量By(y方向上的磁场)的情况(传统方法)和测量磁场角。使用By方法,对于所示的16 mm磁体,只能感测10 mm的行程,精度为±0.5 mm(对于±0.5 mm的气隙公差)。然而,使用角度方法,对于相同的物理配置,可以感测超过30mm的行程,具有±0.5mm的精度,基本上使线性感测范围增加三倍。k0W电子头条

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从根本上说,线性位置传感的角度方法比传统的单轴传感方法提供了更高的气隙和温度精度,唯一的限制是需要一个高精度的磁性角度传感器IC而不是单轴传感器。k0W电子头条

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图2:在标称气隙线性化后的By场和角度传感的位置绘制的误差k0W电子头条

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这种应用的理想传感器是基于CVH(圆形垂直霍尔)技术的汽车级Allegro A1335磁性角度传感器IC。除了提供高精度角度测量外,它还包括以下高级功能:k0W电子头条

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•角度测量的分段线性化:这允许补偿磁体端部附近的角度/位置曲线的非线性,使线性感测区域延伸超出磁体的边缘。这还允许将角度输出/位置曲线的斜率调整到任何期望值。k0W电子头条

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•可寻址的SENT / SPI / I2C输出:这允许阵列中的多个IC位于同一总线上。k0W电子头条

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•角度输出钳位和低场检测:这些功能对于使用多个IC的系统非常有用,因为它们可用于识别哪些传感器IC超出范围,哪些传感器IC应用于确定位置。k0W电子头条

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基本系统配置k0W电子头条

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A1335采用TSSOP-14封装(或双芯片TSSOP-24,适用于需要冗余的系统),可测量封装平面内的磁场角度。这意味着对于线性位置传感,IC需要垂直于磁体运动定向,如图3所示。这可以通过将传感器放置在PCB的边缘并使磁体滑动到PCB的侧面来完成。 。有效气隙是从磁传感阵列的中心(CVH)到磁铁边缘的距离。k0W电子头条

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图3:使用A1335角度传感器IC的系统配置k0W电子头条

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用于线性传感的磁系统k0W电子头条

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必须为测量的行程长度选择合适的磁铁尺寸和标称气隙,以创建具有所需精度的系统。这涉及系统的设计,以便:k0W电子头条

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1.磁角通常与位置成线性关系。k0W电子头条

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2.磁角相对于系统的气隙公差足够恒定。k0W电子头条

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3.磁场强度高于基于CVH的传感器IC所需的最小值,约为300高斯。k0W电子头条

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磁系统中的每个变量都对精度有特定的影响,允许多个自由度来提高性能或降低成本。这些包括:k0W电子头条

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•磁铁长度(L):根据经验,磁铁长度应至少为行程长度(LS)的60%,这意味着20毫米的行程需要12毫米的磁铁。气隙公差的线性度和精度进一步降低超过磁体的边缘,因此,通常,磁体越长,给定行程长度的误差越小。k0W电子头条

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•标称气隙(d):需要选择气隙,使角度与位置几乎呈线性关系。由于气隙非常小,尤其是在较长的磁体上,x和y场将变为非正弦曲线,并且角度/位置关系将不是线性的或者在气隙容差上是一致的。通常,L / 3至L / 2范围内的气隙效果良好。k0W电子头条

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•磁铁直径(D):通常,磁铁直径越大,磁场越强。使直径大致等于或略小于气隙通常适用于钕磁铁,较弱类型的磁铁将需要较大的直径。 k0W电子头条

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总的来说,对于给定的行程长度(LS),合理的设计开始是:k0W电子头条

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从那里,可以增加或减少这些参数以满足应用的目标。k0W电子头条

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为了确定系统是否符合设计目标,需要对磁场进行建模。虽然使用先进的3D磁性建模软件可以获得最准确的结果,但在大多数情况下并不是必需的。使用在线提供的免费2D模拟软件,可以对字段进行足够精确的建模。或者,在使用圆柱形磁体的情况下可以相当容易地计算场,并且类似尺寸的条形磁体将导致几乎相同的场。 k0W电子头条

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根据系统的需要,可以使用不同的线性化或校准方法。使用A1335时,可以使用编程软件,引导用户完成线性传感系统的校准/线性化。 k0W电子头条

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使用多个传感器扩展感应范围k0W电子头条

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扩展感应范围可以通过增加磁铁尺寸,遵循上述指导原则,或通过向系统添加更多传感器IC来完成。随着期望的行程长度变大,较大磁体的成本和尺寸将推动解决方案朝向使用多个传感器。使用多个传感器的配置如图4所示。这里使用了三个传感器IC,但这可以扩展到任何数量。可以使用A1335的低场检测功能来确定磁铁所在的传感器,然后使用该传感器的输出来确定精确的磁铁位置。k0W电子头条

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图4:使用多个A1335角度传感器来扩展测量范围k0W电子头条

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结论k0W电子头条

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总体而言,磁性角度传感器IC对于线性滑动式位置感测比磁性加传感器方法的单轴磁性传感器IC更好地工作,使得该方法成为不可靠和/或高成本传统解决方案的理想替代方案。Allegro系列基于CVH的角度传感器IC,包括A1335,非常适合这些应用,提供先进的功能,如分段线性(PWL)线性化,多种数字输出协议和汽车级IC,具有双IC选项,可确保安全关键系统。通过使用这些传感器IC并遵循所提供的指南,用户可以简单地为任何应用创建稳健,精确和低成本的线性位置传感解决方案。k0W电子头条