旋轉(zhuǎn)撥盤用于人機界面 （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的觸摸屏。這些設(shè)備不僅將人類輸入轉(zhuǎn)化為電信號，而且還提供了一項重要功能——觸覺反饋。這對于時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艙內(nèi)部或調(diào)整醫(yī)用泵的流量時。按鈕應(yīng)該很容易通過觸摸定位，而不需要額外的視覺識別。

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

例如，許多白色家電的面板上都有一個看似簡單的單按鈕界面。整臺機器（包括旋鈕）在運行數(shù)小時后會受到振動、溫度波動和濕度的影響。這種惡劣的環(huán)境對旋鈕的使用壽命產(chǎn)生不利影響，而按鈕的軸為濕氣提供了進入其他控制電子設(shè)備的路徑。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)用可以顯著降低總體設(shè)計成本，同時提高可靠性和機械設(shè)計靈活性。本文深入介紹了優(yōu)化 HMI 應(yīng)用程序的基本思想和設(shè)計注意事項。

簡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，可檢測磁場的旋轉(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產(chǎn)生一個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)軸對齊，即可通過磁鐵旋轉(zhuǎn)感應(yīng)旋鈕的實際旋轉(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）之間建立機械連接即可運行。使用磁性傳感器可創(chuàng)建簡單、高度可靠的設(shè)計，并且使用壽命極長。

圖 2 顯示了一個使用 MA800 的旋鈕，MA800 是 MPS 的一種磁傳感器，旨在改進 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現(xiàn)。

圖 2：帶有磁感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)旋鈕的橫截面

整個磁傳感器對占用很小的體積，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，通常沿單邊測量 10mm。

設(shè)計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)備在其整個生命周期內(nèi)的磨損而造成的。這會導(dǎo)致傳感器檢測到磁非線性。

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)形磁體來實現(xiàn)穩(wěn)健的設(shè)計。例如，將磁體直徑從 5mm 增加到 8mm 會將橫向公差提高到 ±0.4mm。

磁鐵的尺寸對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，而不會超出 MA800 的規(guī)格。這種機械設(shè)計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)磁體可實現(xiàn)較大的氣隙。

請注意，對于本文，所有磁分析均使用公開可用的磁模擬工具進行。該模擬器允許設(shè)計人員快速檢查特定的磁性配置，并對公差或未對準(zhǔn)的影響進行深入調(diào)查。

按鈕

除了旋轉(zhuǎn)功能外，一些 HMI 應(yīng)用程序還需要一個按鈕。當(dāng)氣隙變化引起磁場強度變化時，MA800會檢測到按鈕事件。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)的場梯度，以及單閾值和雙閾值之間的差異（下面詳細描述）。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的場差。MA800 具有可調(diào)節(jié)的磁閾值，可通過不同的輸出信號安全地標(biāo)記這種轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)控制器。

圖 4：使用 MA800 的按鈕實現(xiàn)

這種非接觸式過程是一種無磨損檢測原理。重要的是要確保機制的壽命變化不會降低傳感可靠性。圖 4 顯示了 MA800 的磁閾值的疊加，以及它們在典型配置的場強曲線頂部的相關(guān)磁滯間隔。標(biāo)稱磁設(shè)置的設(shè)計方式使得兩個端點都與磁開關(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行程到不超過開關(guān)閾值的點。

當(dāng)沿軸向行程的磁場差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磁場強度和低磁場強度。圖 4 顯示了這種雙閾值配置的示意圖。雙閾值為整個應(yīng)用程序增加了安全功能，因為它可以檢測機械故障，以防按鈕卡在中間位置。

在選擇非接觸式感應(yīng)機制（從而消除旋鈕和按鈕的接觸問題）時，推動機制成為最大的限制因素。圖 3 還說明了一個概念，其中軸向定位的點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，這個概念在整個生命周期內(nèi)都不會磨損。

選擇低功耗、緊湊的解決方案

對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 還提供一個專用信號，指示運動何時超過某個角度閾值。在這種看門狗場景中，角度傳感器用作整個系統(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）的嚴格設(shè)計。MA782 等設(shè)備通過特殊補償感應(yīng)遠離旋轉(zhuǎn)軸的磁場，以準(zhǔn)確恢復(fù)機械角度和傳感器輸出之間的線性關(guān)系。

結(jié)論

在使用磁傳感器實現(xiàn) HMI 轉(zhuǎn)盤和按鈕時，在設(shè)計解決方案時需要考慮各種選項，例如將觸覺元件的機械裝置與電子設(shè)備分離，以及為周圍的機械裝置留出足夠的空間。本文概述了設(shè)計非接觸式、經(jīng)濟高效的 HMI 解決方案的簡單設(shè)計指南，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