使用一维位置传感器测量第二个轴

如何测量二维

电感式位置传感器可以准确测量金属目标的旋转或线性位置。与其他磁场传感器不同，它们不需要磁性目标。相反，他们使用交变磁场在金属目标中感应磁场，然后能够精确测量目标的位置。这个目标可以是任何金属，但最好的目标是铜、铝或不锈钢。虽然它们非常适合测量线性距离和旋转角度，但有时应用程序需要不止一个维度。为了进行精确测量，可以添加第二个电感式位置传感器来测量这个附加轴，但是这个第二个轴并不总是需要相同的精度水平——例如，具有按钮功能的旋钮或具有通过向左或向右拉动齿轮进行手动换档功能的汽车变速杆。在任何一种情况下，具有一定余量的阈值都是可以接受的。

使用我们的LX3302A 电感式位置传感器，您可以添加第二个轴的测量。在描述了它是如何完成之后，我们将介绍在您的双轴传感器设计中实现它的步骤。

我们的电感式位置传感器如何测量第二个维度

Microchip 独特地将快速连续自动增益控制 (AGC) 电路与电感式传感器结合使用，有助于提供精确测量并实现第二个测量轴。下图说明了电感式位置传感器的框图和 AGC 的操作。OSC1 和 OSC2 信号将磁场引入金属目标。接收信号 CL1 和 CL2 被解调以表示 Raw Sin(x) 和 Raw Cos(x)，其中 x 表示角度或位置。这些信号的幅度由固定输入范围的模数转换器 (ADC) 读取，以将信号转换为数字域。然后，微控制器可以确定精确的角度或位置 x，使用 sin(x) 和 Cos(x) 值计算 arctan(x) 以及其他校准算法。

为了最大化这些 ADC 读数的分辨率，调整 AGC 以确保 Sin(x) 和 Cos(x) 的峰值在不同信号强度下保持在 ADC 的最大范围内。它通过控制 OSC1 和 OSC2 振幅来实现

图 1. 电感式位置传感器的模拟前端 (AFE) 框图

使用以下三角恒等式作为控制律：

其中 x 表示旋转角度或测量距离。然后通过以下等式计算 AGC(x)：

其中 AGC(x) 是每个角度或位置 x 处的增益，K 是由电路定义的恒定半径。控制律和框图说明随着目标距离的调整，接收信号CL1和CL2不会增加或减少，因为AGC(x)会自动变化以保持sin(x)和cos(x)信号的峰值ADC 读取的常量。我们将使用这个 AGC(x) 增益来提供第二个测量轴，只有一个电感式位置传感器集成电路 (IC)。

传感器目标距离改变增益

如果没有 AGC，CL1 和 CL2 的接收信号强度会随着气隙的变化而变化。从概念上讲，传感器和金属目标之间的气隙越大，OSC1 和 OSC2 产生的磁场就不会在金属目标中感应出尽可能多的磁场，而 CL1 和 CL2 将接收到较少的信号。然而，通过实施这种连续 AGC，我们现在可以直接测量传感器和目标之间的气隙或距离。只要可以调整传感器机械设计以利用该气隙，就可以使用该第二轴（即 z 轴）。下一个问题是：我们如何衡量这种收益？

救援的 10 位 ADC

Microchip 的 LX3302A、LX3301A 和 LX34211 有一个 10 位 ADC 来提供动态校准。它通过测量代表增益的振荡器电压的幅度来进行动态校准，并使用它来补偿非理想传感器在不同 AGC 增益下的偏移电压。传感器偏移定义为 Sin(x) 或 Cos (x) 信号中存在的不需要的恒定电压的增加：

LX3302A 具有特殊的单边沿半字节传输 (SENT) 模式，可传输此 ADC 10 位增益信息以及主轴位置信息。

使用更多 SENT 通道带宽

LX3302A 是一款多功能 IC，具有四种不同的方法来连接外部主机微控制器或计算机。它可以输出传感器输出的模拟、PWM、SENT 或 PSI5 值，如下方框图所示。您还可以看到与测量振荡器电压的 AFE 块的 10 位 ADC 连接。

LX3302A 的单边半字节传输 (SENT) 是输出接口之一，是一种稳健的抗噪声通信方法。SENT 协议有两个快速 12 位通道和一个慢速 12 位通道用于传输信息。LX3302A SENT 模式 (FCM = 0100) 利用第二个快速通道传输此 10 位 ADC 振荡器电压，同时还使用第一个快速通道传输精确位置信息。10 位 (0-1024) ADC 值通过第二个快速通道传输。

然后，主机微控制器可以使用此信息来确定 AGC 的增益和气隙，并测量第二个运动轴。LX3302A上的应用说明 展示了如何使用微控制器读取此 SENT 信息，即使微控制器没有本地 SENT 外设也是如此。总之，关于我们之前的示例，带有按钮指示器的旋钮可以使用气隙变化来检测用户何时按下旋钮。

实际考虑

精确的传感器会有非常小的传感器偏移（即 Offsin = Offcos = 0），但有时这很难实现。使用动态校准，这些传感器也可以是准确的，但振荡器电压最终会在测量范围内移动。这些传感器也可以使用此 AGC 增益来检测次轴运动，但可能需要利用位置传感器信息。在一个极端的例子中，下面的线性传感器有一个异常大的偏移，从测量范围内的振荡器电压可以看出。测量了三个不同的气隙。

图 2. 具有大偏移电压的传感器

即使在这些条件下，也可以使用位置信息检测气隙。如果目标是检测气隙何时下降到 6.5 mm 以下并具有一定余量，则可以选择一个 10 位 ADC 位置值，它大约适合 6 mm 气隙曲线。例如，在测量位置 5，如果 ADC 10 位值小于 340，则气隙小于 6 mm。在位置 15 处，ADC 10 位值减去 550 将检测到相同的 6 mm 气隙。

使用主机微控制器，可以使用以下气隙阈值曲线作为使用具有大量偏移的传感器实施此次轴测量的这种极端条件的示例。

图 3. 使用可变阈值作为次轴阈值

文章与图片均源于Microchip- Mark Smith