【導讀】一直以來(lái)，旋轉撥盤(pán)被廣泛應用于各種人機界面 (HMI) 應用中。從汽車(chē)、白色家電，再到手機觸摸屏，各種日用設備的觸摸界面中都包括了按鈕、旋鈕和撥盤(pán)功能。這些功能不僅將人類(lèi)輸入轉化為電信號，而且還提供了一項重要的功能——觸覺(jué)反饋。這種功能對時(shí)間敏感情況下的安全相關(guān)功能尤其有用，例如當用戶(hù)在黑暗的駕駛艙移動(dòng)艙內部時(shí)，或者調節醫用泵的流量時(shí)（見(jiàn)圖 1），按鈕應該要很容易通過(guò)觸摸來(lái)定位，而無(wú)需額外的視覺(jué)識別。
圖 1：汽車(chē)內部的控制臺和方向盤(pán)控制
然而，新設計不斷推陳出新，解決方案也更加新穎以適應新的外形要求、提供越來(lái)越多的功能，并延長(cháng) HMI 的使用壽命。傳統的按鈕和旋轉撥盤(pán)此時(shí)成為了一個(gè)限制因素。因為它們體積很大，從按鈕到 PCB 上的焊點(diǎn)之間又具有剛性耦合，而且觸點(diǎn)的布局也導致了特定、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。整臺機器（包括旋鈕）在數小時(shí)的運行中都會(huì )受到振動(dòng)、溫度波動(dòng)和濕度的影響。這種惡劣的環(huán)境會(huì )對旋鈕的使用壽命產(chǎn)生不利影響，而按鈕的軸也為濕氣侵入其他控制電子設備提供了通道。緩解這些問(wèn)題可能代價(jià)高昂。
將現代磁傳感器用于 HMI 應用可以極大地降低總設計成本，同時(shí)還能提高可靠性和機械設計的靈活性。本文將深入介紹了這種優(yōu)化HMI 應用的基本思想和設計注意事項。
利用簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的傳感原理
集成霍爾效應的磁角度傳感器能夠檢測磁場(chǎng)的旋轉。例如，一個(gè)旋轉部件連接了小型指示磁鐵的傳感器就可以實(shí)現功能完全的非接觸式旋鈕。只需將磁角度傳感器與磁鐵的旋轉軸對齊，即可通過(guò)磁鐵旋轉來(lái)感應旋鈕的實(shí)際旋轉位置。這種傳感器無(wú)需在電子設備和觸覺(jué)轉子（例如雨刷電位器）之間建立機械連接即可運行。使用磁傳感器可實(shí)現簡(jiǎn)單且高度可靠的設計，而且使用壽命極長(cháng)。
圖 2 顯示了一個(gè)用MA800 實(shí)現的旋鈕，MA800 是MPS提供的一款用于改善HMI 應用的磁傳感器。它采用 MPS 專(zhuān)有的 SpinAxis? 技術(shù)，能夠實(shí)現小尺寸、高性?xún)r(jià)比的角度傳感器。
圖 2：帶磁感應的旋鈕橫截面
整個(gè)磁傳感器對只需占用很小的體積，它留出了足夠的空間，以通過(guò)軸承、棘爪或光導來(lái)定制旋鈕的觸覺(jué)或視覺(jué)外觀(guān)。如圖 2 中的配置，其占位面積小于 5mmx5mm，只占電位器產(chǎn)品尺寸的一小部分。電位器沿單邊測量通常為10mm。
可靠性設計并滿(mǎn)足制造公差
磁傳感器因其非接觸式原理而異?？煽?。這與傳統的滑環(huán)電位器形成鮮明對比?；h(huán)電位器因接觸性而備受詬病，其典型使用壽命大約為 250,000 次循環(huán)。不過(guò)，磁傳感器在某些方面也受到一些限制并產(chǎn)生失真，需要想辦法避免。
第一個(gè)潛在的失真源是傳感器相對于旋轉軸的橫向位移。這些位移可能由于不精確的生產(chǎn)過(guò)程造成，也可能由于設備在使用過(guò)程中的磨損造成。它會(huì )導致磁場(chǎng)的非線(xiàn)性，并被傳感器拾取。
例如，采用圖 2中的設置，失配低于 0.5° 意味著(zhù)橫向公差為 ±0.2mm，完全在典型制造公差范圍之內。如果出于某種原因需要更大的公差，則可以采用更大的磁體直徑或環(huán)形磁體來(lái)實(shí)現穩健的設計。例如，將磁體直徑從 5mm 增加到 8mm 可以將橫向公差提高到 ±0.4mm。
磁體尺寸對于處理磁體和傳感器之間的氣隙變化至關(guān)重要。關(guān)鍵在于，這種變化的偏差不能使傳感器位置的磁通量密度超出其要求的條件。如圖 2所示，氣隙可以在 0.0毫米和 3.1 毫米之間變化而不會(huì )超出 MA800 的規格。通過(guò)在氣隙與磁體尺寸之間進(jìn)行權衡，能夠提供機械設計的靈活性，從而滿(mǎn)足制造公差的要求。例如，較寬的目標磁體允許更大的氣隙。
請注意，在本文中，所有磁性分析均利用了現有公開(kāi)的磁模擬工具。該模擬工具允許設計人員快速檢查特定的磁配置，并對公差或未對準產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入調查。
按鈕
除了旋轉功能以外，有些HMI 應用還需要按鈕功能。MA800可以在氣隙變化引起磁場(chǎng)強度變化時(shí)，檢測到按鈕事件。圖 3 顯示了按鈕和旋鈕組合的典型應用。
圖 3：具有按鈕功能的旋鈕橫截面
圖 4 顯示了與磁體和傳感器之間的距離相關(guān)的磁場(chǎng)梯度，以及單閾值和雙閾值之間的差異（下面將對此進(jìn)行詳細描述）。1mm的軸向位移、1.5mm的標稱(chēng)氣隙和0.5mm氣隙的按壓位置產(chǎn)生60mT的場(chǎng)強差。MA800 具有可調節的磁閾值，可為系統控制器提供不同的輸出信號，以安全地標記這種變化。
圖 4：MA800 的按鈕功能實(shí)現
這種非接觸式過(guò)程利用了無(wú)損檢測原理。其關(guān)鍵在于，確保這種機制的壽命變化不會(huì )降低傳感的可靠性。圖 4 疊加顯示了 MA800 的檢測閾值，以及在典型配置下場(chǎng)強曲線(xiàn)頂部的相關(guān)磁滯間隔。標稱(chēng)磁性設置的設計要點(diǎn)是，確保兩個(gè)端點(diǎn)閾值都與磁開(kāi)關(guān)閾值有足夠的距離，以確保隨著(zhù)時(shí)間的推移可能積聚的外來(lái)顆粒不會(huì )阻礙機械部件行進(jìn)到不超過(guò)開(kāi)關(guān)閾值的點(diǎn)。
當沿軸向行進(jìn)的磁場(chǎng)差值大到足以安全地通過(guò)多個(gè)開(kāi)關(guān)閾值時(shí)，建議采用不同的閾值來(lái)檢測高場(chǎng)強和低場(chǎng)強。圖 4 顯示了這種雙閾值配置的示意圖。雙閾值為整個(gè)應用添加了安全功能，它可以檢測機械故障，防止按鈕卡在中間位置。
在選擇非接觸式感應機制（從而避免旋鈕和按鈕的接觸問(wèn)題）時(shí)，按壓機制成為最大的限制因素。圖 3 還表明了一個(gè)原理，軸向定位的點(diǎn)擊磁鐵會(huì )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，通過(guò)材料常數和涂層可以輕松調節該閾值。而且，它在整個(gè)生命周期內都不存在磨損。
選擇緊湊的低功耗解決方案
MPS 還提供了適用于低功耗電池供電應用的MA782。其磁性設計原則與 MA800 相同。 這款傳感器的刷新率可配置，而且可以將傳感器的平均電流消耗降至10μA 以下。
此外，MA782 還提供一個(gè)專(zhuān)用信號，用于指示運動(dòng)何時(shí)超過(guò)特定的角度閾值。擁有這種監視器，角度傳感器可以用作整個(gè)系統的喚醒觸發(fā)器，它可以讓微控制器 (MCU) 和顯示屏保持在睡眠模式，從而節省大量的電池電量。
再加上MA782 采用的 UTQFN-14 (2mmx2mm) 封裝，它同時(shí)實(shí)現了超低功耗感應和超小尺寸。這種組合優(yōu)勢在新興應用中可以發(fā)揮重要作用，例如家庭無(wú)線(xiàn)恒溫器或折疊手機中的鉸鏈控制（參見(jiàn)圖 5）。
圖 5：采用 MA782 作為傳感器和監視器的折疊手機鉸鏈
憑借著(zhù)小尺寸和低功耗，這些傳感器非常適合那些在旋轉軸或鉸鏈末端沒(méi)有空間放置傳感器（和 PCB）的應用，可以滿(mǎn)足其嚴格的設計要求。MA782 等器件通過(guò)特殊的補償感應遠離旋轉軸的磁場(chǎng)，并精確恢復了機械角度和傳感器輸出之間的線(xiàn)性關(guān)系。
結論
為了使用磁傳感器實(shí)現 HMI 撥盤(pán)和按鈕功能，設計解決方案時(shí)需要考慮各種問(wèn)題，例如觸覺(jué)元件的機械裝置與電子設備之間的去耦，同時(shí)要為周?chē)臋C械裝置留出足夠的空間。本文為設計高性?xún)r(jià)比的非接觸式 HMI 解決方案提供了簡(jiǎn)單的設計指南，該方案擁有無(wú)可比擬的使用壽命和低功耗。
來(lái)源：MPS
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