旋轉(zhuǎn)撥盤用于人機(jī)界面 （HMI） 的各種應(yīng)用。觸摸界面包括日常設(shè)備上的按鈕、旋鈕和轉(zhuǎn)盤，從汽車和白色家電到手機(jī)的觸摸屏。這些設(shè)備不僅將人類輸入轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而且還提供了一項(xiàng)重要功能——觸覺反饋。這對(duì)于時(shí)間敏感情況下的安全相關(guān)功能特別有用，例如當(dāng)用戶在黑暗的駕駛艙移動(dòng)艙內(nèi)部或調(diào)整醫(yī)用泵的流量時(shí)。按鈕應(yīng)該很容易通過觸摸定位，而不需要額外的視覺識(shí)別。

然而，新設(shè)計(jì)不斷推陳出新，以生產(chǎn)適合新外形、提供附加功能并延長(zhǎng) HMI 壽命的新穎解決方案。傳統(tǒng)的按鈕和旋轉(zhuǎn)撥盤通常是一個(gè)限制因素，因?yàn)樗鼈冋紦?jù)了很大的體積，從按鈕到 PCB 上的焊點(diǎn)具有剛性耦合，并且它們的觸點(diǎn)布局特定的、有限的使用壽命。

例如，許多白色家電的面板上都有一個(gè)看似簡(jiǎn)單的單按鈕界面。整臺(tái)機(jī)器（包括旋鈕）在運(yùn)行數(shù)小時(shí)后會(huì)受到振動(dòng)、溫度波動(dòng)和濕度的影響。這種惡劣的環(huán)境對(duì)旋鈕的使用壽命產(chǎn)生不利影響，而按鈕的軸為濕氣提供了進(jìn)入其他控制電子設(shè)備的路徑。緩解這些問題可能代價(jià)高昂。

將現(xiàn)代磁傳感器用于 HMI 應(yīng)用可以顯著降低總體設(shè)計(jì)成本，同時(shí)提高可靠性和機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性。本文深入介紹了優(yōu)化 HMI 應(yīng)用程序的基本思想和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

簡(jiǎn)單且具有成本效益的傳感原理

集成的基于霍爾的磁性角度傳感器配備齊全，可檢測(cè)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)。例如，帶有連接到旋轉(zhuǎn)部件的小型指示器磁鐵的傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)功能齊全的非接觸式旋鈕。只需將磁性角度傳感器與磁鐵的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊，即可通過磁鐵旋轉(zhuǎn)感應(yīng)旋鈕的實(shí)際旋轉(zhuǎn)位置。該傳感器無需在電子設(shè)備和觸覺轉(zhuǎn)子（例如雨刷電位器）之間建立機(jī)械連接即可運(yùn)行。使用磁性傳感器可創(chuàng)建簡(jiǎn)單、高度可靠的設(shè)計(jì)，并且使用壽命極長(zhǎng)。

圖 2 顯示了一個(gè)使用 MA800 的旋鈕，MA800 是 MPS 的一種磁傳感器，旨在改進(jìn) HMI 應(yīng)用。MA800 采用 MPS 專有的 SpinAxis? 技術(shù)，該技術(shù)允許角度傳感器以小型、極具成本效益的封裝實(shí)現(xiàn)。

圖 2：帶有磁感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)旋鈕的橫截面

整個(gè)磁傳感器對(duì)占用很小的體積，留出足夠的空間來通過軸承、棘爪或光導(dǎo)定制旋鈕的觸覺或光學(xué)外觀。圖 2 所示配置的占位面積小于 5mmx5mm。這是電位器替代品尺寸的一小部分，通常沿單邊測(cè)量 10mm。

設(shè)計(jì)可靠性和滿足制造公差

磁性傳感器由于其非接觸式原理而非常可靠。這與傳統(tǒng)的滑環(huán)電位器形成鮮明對(duì)比，滑環(huán)電位器因其接觸問題而臭名昭著，典型的使用壽命約為 250，000 次循環(huán)。然而，磁傳感器在某些方面也受到限制。這些限制和扭曲是什么，如何避免？

第一個(gè)潛在的失真源是傳感器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的橫向位移。這些位移可能是由于生產(chǎn)過程中的不準(zhǔn)確而引起的，也可能是由于設(shè)備在其整個(gè)生命周期內(nèi)的磨損而造成的。這會(huì)導(dǎo)致傳感器檢測(cè)到磁非線性。

例如，使用圖 1 所示的設(shè)置，低于 0.5° 的失配意味著橫向公差為 ±0.2mm — 這完全在典型的制造公差范圍內(nèi)。如果出于某種原因需要更大的公差，則可以使用更大的磁體直徑或環(huán)形磁體來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。例如，將磁體直徑從 5mm 增加到 8mm 會(huì)將橫向公差提高到 ±0.4mm。

磁鐵的尺寸對(duì)于處理磁鐵和傳感器之間的氣隙的任何變化至關(guān)重要。至關(guān)重要的是，此類偏差不會(huì)使傳感器位置的通量密度超出其所需條件。在圖 2 中，氣隙可以在 0.0mm 和 3.1mm 之間變化，而不會(huì)超出 MA800 的規(guī)格。這種機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性可用于通過權(quán)衡氣隙和磁體尺寸來滿足制造公差要求。例如，較寬的目標(biāo)磁體可實(shí)現(xiàn)較大的氣隙。

請(qǐng)注意，對(duì)于本文，所有磁分析均使用公開可用的磁模擬工具進(jìn)行。該模擬器允許設(shè)計(jì)人員快速檢查特定的磁性配置，并對(duì)公差或未對(duì)準(zhǔn)的影響進(jìn)行深入調(diào)查。

按鈕

除了旋轉(zhuǎn)功能外，一些 HMI 應(yīng)用程序還需要一個(gè)按鈕。當(dāng)氣隙變化引起磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)，MA800會(huì)檢測(cè)到按鈕事件。圖 3 顯示了按鈕組合旋鈕的典型情況。

圖 3：具有按鈕功能的旋鈕橫截面

圖 4 顯示了與磁體到傳感器距離相關(guān)的場(chǎng)梯度，以及單閾值和雙閾值之間的差異（下面詳細(xì)描述）。1mm的軸向位移、1.5mm的標(biāo)稱氣隙和0.5mm間隙的壓制位置產(chǎn)生60mT的場(chǎng)差。MA800 具有可調(diào)節(jié)的磁閾值，可通過不同的輸出信號(hào)安全地標(biāo)記這種轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)控制器。

圖 4：使用 MA800 的按鈕實(shí)現(xiàn)

這種非接觸式過程是一種無磨損檢測(cè)原理。重要的是要確保機(jī)制的壽命變化不會(huì)降低傳感可靠性。圖 4 顯示了 MA800 的磁閾值的疊加，以及它們?cè)诘湫团渲玫膱?chǎng)強(qiáng)曲線頂部的相關(guān)磁滯間隔。標(biāo)稱磁設(shè)置的設(shè)計(jì)方式使得兩個(gè)端點(diǎn)都與磁開關(guān)閾值有足夠的距離，以確保隨著時(shí)間的推移可能積聚的外來顆粒不會(huì)阻礙機(jī)械行程到不超過開關(guān)閾值的點(diǎn)。

當(dāng)沿軸向行程的磁場(chǎng)差大到足以安全地通過多個(gè)開關(guān)閾值時(shí)，建議采用不同的閾值來檢測(cè)高磁場(chǎng)強(qiáng)度和低磁場(chǎng)強(qiáng)度。圖 4 顯示了這種雙閾值配置的示意圖。雙閾值為整個(gè)應(yīng)用程序增加了安全功能，因?yàn)樗梢詸z測(cè)機(jī)械故障，以防按鈕卡在中間位置。

在選擇非接觸式感應(yīng)機(jī)制（從而消除旋鈕和按鈕的接觸問題）時(shí)，推動(dòng)機(jī)制成為最大的限制因素。圖 3 還說明了一個(gè)概念，其中軸向定位的點(diǎn)擊磁鐵吸引軸上的鋼環(huán)。這兩者之間的磁力為軸向行程創(chuàng)建了一個(gè)閾值，可以通過材料常數(shù)和涂層輕松調(diào)整該閾值。此外，這個(gè)概念在整個(gè)生命周期內(nèi)都不會(huì)磨損。

選擇低功耗、緊湊的解決方案

對(duì)于低功耗和電池供電的應(yīng)用，MPS 還提供 MA782。與 MA800 相同的磁性設(shè)計(jì)原則也適用于 MA782。該傳感器的刷新率是可配置的，可以將傳感器的平均消耗降低到 10μA 以下。

此外，MA782 還提供一個(gè)專用信號(hào)，指示運(yùn)動(dòng)何時(shí)超過某個(gè)角度閾值。在這種看門狗場(chǎng)景中，角度傳感器用作整個(gè)系統(tǒng)的喚醒觸發(fā)器，并允許微控制器 （MCU） 和顯示器保持在睡眠模式以節(jié)省大量電池電量。

由于 MA782 還采用 UTQFN-14 （2mmx2mm） 封裝，因此它結(jié)合了超低功耗感應(yīng)和超小尺寸。這種獨(dú)特的組合在新興應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，例如家庭中的無線恒溫器或可折疊手機(jī)中的鉸鏈控制。

這些傳感器的小尺寸和低功耗功能使其非常適合用于在旋轉(zhuǎn)軸或鉸鏈末端沒有空間放置傳感器（和 PCB）的嚴(yán)格設(shè)計(jì)。MA782 等設(shè)備通過特殊補(bǔ)償感應(yīng)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的磁場(chǎng)，以準(zhǔn)確恢復(fù)機(jī)械角度和傳感器輸出之間的線性關(guān)系。

結(jié)論

在使用磁傳感器實(shí)現(xiàn) HMI 轉(zhuǎn)盤和按鈕時(shí)，在設(shè)計(jì)解決方案時(shí)需要考慮各種選項(xiàng)，例如將觸覺元件的機(jī)械裝置與電子設(shè)備分離，以及為周圍的機(jī)械裝置留出足夠的空間。本文概述了設(shè)計(jì)非接觸式、經(jīng)濟(jì)高效的 HMI 解決方案的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)指南，該解決方案具有無與倫比的使用壽命和低功耗。

審核編輯：郭婷