【導(dǎo)讀】一直以來，旋轉(zhuǎn)撥盤被廣泛應(yīng)用于各種人機界面 (HMI) 應(yīng)用中。從汽車、白色家電，再到手機觸摸屏，各種日用設(shè)備的觸摸界面中都包括了按鈕、旋鈕和撥盤功能。這些功能不僅將人類輸入轉(zhuǎn)化為電信號，而且還提供了一項重要的功能——觸覺反饋。這種功能對時間敏感情況下的安全相關(guān)功能尤其有用，例如當(dāng)用戶在黑暗的駕駛艙移動艙內(nèi)部時，或者調(diào)節(jié)醫(yī)用泵的流量時（見圖 1），按鈕應(yīng)該要很容易通過觸摸來定位，而無需額外的視覺識別。
圖 1：汽車內(nèi)部的控制臺和方向盤控制
然而，新設(shè)計不斷推陳出新，解決方案也更加新穎以適應(yīng)新的外形要求、提供越來越多的功能，并延長 HMI 的使用壽命。傳統(tǒng)的按鈕和旋轉(zhuǎn)撥盤此時成為了一個限制因素。因為它們體積很大，從按鈕到 PCB 上的焊點之間又具有剛性耦合，而且觸點的布局也導(dǎo)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看似簡單的單按鈕界面。整臺機器（包括旋鈕）在數(shù)小時的運行中都會受到振動、溫度波動和濕度的影響。這種惡劣的環(huán)境會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(shè)備提供了通道。緩解這些問題可能代價高昂。
將現(xiàn)代磁傳感器用于 HMI 應(yīng)用可以極大地降低總設(shè)計成本，同時還能提高可靠性和機械設(shè)計的靈活性。本文將深入介紹了這種優(yōu)化HMI 應(yīng)用的基本思想和設(shè)計注意事項。
利用簡單且經(jīng)濟(jì)高效的傳感原理
集成霍爾效應(yīng)的磁角度傳感器能夠檢測磁場的旋轉(zhuǎn)。例如，一個旋轉(zhuǎn)部件連接了小型指示磁鐵的傳感器就可以實現(xiàn)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(zhuǎn)軸對齊，即可通過磁鐵旋轉(zhuǎn)來感應(yīng)旋鈕的實際旋轉(zhuǎn)位置。這種傳感器無需在電子設(shè)備和觸覺轉(zhuǎn)子（例如雨刷電位器）之間建立機械連接即可運行。使用磁傳感器可實現(xiàn)簡單且高度可靠的設(shè)計，而且使用壽命極長。
圖 2 顯示了一個用MA800 實現(xiàn)的旋鈕，MA800 是MPS提供的一款用于改善HMI 應(yīng)用的磁傳感器。它采用 MPS 專有的 SpinAxis? 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸、高性價比的角度傳感器。
圖 2：帶磁感應(yīng)的旋鈕橫截面
整個磁傳感器對只需占用很小的體積，它留出了足夠的空間，以通過軸承、棘爪或光導(dǎo)來定制旋鈕的觸覺或視覺外觀。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(shè)計并滿足制造公差
磁傳感器因其非接觸式原理而異?？煽俊＿@與傳統(tǒng)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，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。
第一個潛在的失真源是傳感器相對于旋轉(zhuǎn)軸的橫向位移。這些位移可能由于不精確的生產(chǎn)過程造成，也可能由于設(shè)備在使用過程中的磨損造成。它會導(dǎo)致磁場的非線性，并被傳感器拾取。
例如，采用圖 2中的設(shè)置，失配低于 0.5° 意味著橫向公差為 ±0.2mm，完全在典型制造公差范圍之內(nèi)。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)形磁體來實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)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超出 MA800 的規(guī)格。通過在氣隙與磁體尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，能夠提供機械設(shè)計的靈活性，從而滿足制造公差的要求。例如，較寬的目標(biāo)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(xiàn)有公開的磁模擬工具。該模擬工具允許設(shè)計人員快速檢查特定的磁配置，并對公差或未對準(zhǔn)產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入調(diào)查。
按鈕
除了旋轉(zhuǎn)功能以外，有些HMI 應(yīng)用還需要按鈕功能。MA800可以在氣隙變化引起磁場強度變化時，檢測到按鈕事件。圖 3 顯示了按鈕和旋鈕組合的典型應(yīng)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(xì)描述）。1mm的軸向位移、1.5mm的標(biāo)稱氣隙和0.5mm氣隙的按壓位置產(chǎn)生60mT的場強差。MA800 具有可調(diào)節(jié)的磁閾值，可為系統(tǒng)控制器提供不同的輸出信號，以安全地標(biāo)記這種變化。
圖 4：MA800 的按鈕功能實現(xiàn)
這種非接觸式過程利用了無損檢測原理。其關(guān)鍵在于，確保這種機制的壽命變化不會降低傳感的可靠性。圖 4 疊加顯示了 MA800 的檢測閾值，以及在典型配置下場強曲線頂部的相關(guān)磁滯間隔。標(biāo)稱磁性設(shè)置的設(shè)計要點是，確保兩個端點閾值都與磁開關(guān)閾值有足夠的距離，以確保隨著時間的推移可能積聚的外來顆粒不會阻礙機械部件行進(jìn)到不超過開關(guān)閾值的點。
當(dāng)沿軸向行進(jìn)的磁場差值大到足以安全地通過多個開關(guān)閾值時，建議采用不同的閾值來檢測高場強和低場強。圖 4 顯示了這種雙閾值配置的示意圖。雙閾值為整個應(yīng)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(yīng)機制（從而避免旋鈕和按鈕的接觸問題）時，按壓機制成為最大的限制因素。圖 3 還表明了一個原理，軸向定位的點擊磁鐵會吸引軸上的鋼環(huán)。這兩者之間的磁力為軸向行程創(chuàng)建了一個閾值，通過材料常數(shù)和涂層可以輕松調(diào)節(jié)該閾值。而且，它在整個生命周期內(nèi)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(yīng)用的MA782。其磁性設(shè)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 還提供一個專用信號，用于指示運動何時超過特定的角度閾值。擁有這種監(jiān)視器，角度傳感器可以用作整個系統(tǒng)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(jié)省大量的電池電量。
再加上MA782 采用的 UTQFN-14 (2mmx2mm) 封裝，它同時實現(xiàn)了超低功耗感應(yīng)和超小尺寸。這種組合優(yōu)勢在新興應(yīng)用中可以發(fā)揮重要作用，例如家庭無線恒溫器或折疊手機中的鉸鏈控制（參見圖 5）。
圖 5：采用 MA782 作為傳感器和監(jiān)視器的折疊手機鉸鏈
憑借著小尺寸和低功耗，這些傳感器非常適合那些在旋轉(zhuǎn)軸或鉸鏈末端沒有空間放置傳感器（和 PCB）的應(yīng)用，可以滿足其嚴(yán)格的設(shè)計要求。MA782 等器件通過特殊的補償感應(yīng)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的磁場，并精確恢復(fù)了機械角度和傳感器輸出之間的線性關(guān)系。
結(jié)論
為了使用磁傳感器實現(xiàn) HMI 撥盤和按鈕功能，設(shè)計解決方案時需要考慮各種問題，例如觸覺元件的機械裝置與電子設(shè)備之間的去耦，同時要為周圍的機械裝置留出足夠的空間。本文為設(shè)計高性價比的非接觸式 HMI 解決方案提供了簡單的設(shè)計指南，該方案擁有無可比擬的使用壽命和低功耗。
來源：MPS
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