線性位置傳感的角度傳感器集成電路的感測(cè)方法解析

本文介紹了有關(guān)設(shè)計(jì)過程的一些指導(dǎo)原則，該設(shè)計(jì)過程采用了旨在進(jìn)行線性位置傳感的角度傳感器集成電路（IC），以及磁體的選擇和方向，輸出線性化，以及采用傳感器IC陣列來擴(kuò)大測(cè)量范圍。還提供了許多磁體和感應(yīng)長(zhǎng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)，以顯示這些解決方案的理論精度和實(shí)際精度之間的匹配程度。

介紹

準(zhǔn)確，低成本和非接觸式線性位置感測(cè)通常使用條形磁鐵和磁性傳感器IC或傳感器IC陣列來實(shí)現(xiàn)。磁鐵附著在移動(dòng)物體上，傳感器的位置使磁鐵滑動(dòng)?？吹降牡湫团渲煤痛艌?chǎng)如圖1所示。隨著磁體在x方向上滑動(dòng)，y方向上的磁場(chǎng)看起來像是一個(gè)正弦波，磁場(chǎng)與位置的關(guān)系在x = 0周圍呈線性。

圖1多個(gè)氣隙的磁場(chǎng)與條形磁鐵的位置的關(guān)系磁鐵的長(zhǎng)度在所有圖中均按比例繪制。

這種線性位置感測(cè)方法存在一些挑戰(zhàn)，包括：

• 傳感器IC和磁鐵之間的氣隙變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。
• 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。
• 磁場(chǎng)與位置呈線性關(guān)系的測(cè)量范圍被限制為磁體長(zhǎng)度的50％左右，因此需要比被測(cè)行程長(zhǎng)得多的磁體。

通過測(cè)量磁場(chǎng)角度與位置的關(guān)系，可以解決所有這三個(gè)問題。

• 在應(yīng)用中看到的典型變化范圍內(nèi)，視場(chǎng)角與位置的關(guān)系相對(duì)于氣隙幾乎相同。圖2顯示，角度與位置相對(duì)于位置幾乎是恒定的，盡管隨著氣隙公差變大，它的確發(fā)生了一些變化。
• 視場(chǎng)角與場(chǎng)強(qiáng)無關(guān)。
• 磁場(chǎng)角在大部分磁體長(zhǎng)度上與位置呈線性關(guān)系，并且通過線性化，可以檢測(cè)到磁體長(zhǎng)度的150％或更大的行程長(zhǎng)度。圖3顯示了在測(cè)量By（y方向上的磁場(chǎng)）的情況和測(cè)量磁場(chǎng)角的情況下，線性化為標(biāo)稱氣隙后，誤差與氣隙在整個(gè)氣隙上的位置的關(guān)系。使用By方法時(shí)，對(duì)于所示的16 mm磁體，只能感測(cè)10 mm的行程，精度為0.5 mm（氣隙公差為±0.5 mm）。但是，使用角度法，對(duì)于相同的物理配置，可以檢測(cè)到超過30 mm的行程，精度為±0.5 mm，基本上是線性檢測(cè)范圍的三倍。

Allegro A1335磁性角度傳感器IC非常適合使用上述角度方法進(jìn)行線性位置感測(cè)，因?yàn)樗峁┝顺鼍_角度測(cè)量范圍的高級(jí)功能，例如：

• 角度測(cè)量的分段線性化。這允許補(bǔ)償磁體末端附近的角度與位置曲線的非線性，從而將線性感測(cè)區(qū)域擴(kuò)展到磁體邊緣之外。這也允許將角度輸出相對(duì)于位置的斜率調(diào)節(jié)至任何期望值。
• 可尋址的I2C / SPI / SENT： 這允許將陣列中的多個(gè)IC放在同一條總線上。
• 角度輸出鉗位：此功能對(duì)于使用多個(gè)IC的系統(tǒng)很有用，因?yàn)殂Q位可用于幫助MCU識(shí)別哪些傳感器IC超出范圍，哪些應(yīng)用于確定位置。

圖2多個(gè)氣隙的條形磁鐵的磁場(chǎng)角與位置的關(guān)系。

圖3標(biāo)稱氣隙線性化后，按場(chǎng)和角度感應(yīng)的誤差與位置的關(guān)系。

基本系統(tǒng)配置

A1335采用TSSOP-14封裝（對(duì)于需要冗余的系統(tǒng)，則為雙芯片TSSOP-24），并測(cè)量與封裝平面內(nèi)磁場(chǎng)的角度。這意味著對(duì)于線性位置感測(cè)，IC需要垂直于磁體運(yùn)動(dòng)定向，如圖4所示。有效氣隙是指從磁感測(cè)陣列（圓形垂直霍爾傳感器）的中心到邊緣的距離。的磁鐵。CVH在A1335中偏離中心，因此可以根據(jù)需要使用它來幫助增加或減少系統(tǒng)中的氣隙。

圖4使用A1335的系統(tǒng)配置

設(shè)計(jì)用于線性傳感的磁性系統(tǒng)

必須為要測(cè)量的行程長(zhǎng)度選擇合適的磁體尺寸和標(biāo)稱氣隙，以創(chuàng)建具有所需精度的系統(tǒng)。主要，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)為：

• 磁角通常與位置成線性關(guān)系。
• 磁角相對(duì)于系統(tǒng)的氣隙公差足夠恒定。
• 磁場(chǎng)強(qiáng)度高于基于CVH的傳感器IC所需的最小值，約為300高斯。