簡介

一直以來，旋轉撥盤被廣泛應用于各種人機界面 (HMI) 應用中。從汽車、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、旋鈕和撥盤功能。這些功能不僅將人類輸入轉化為電信號，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功能尤其有用，例如當用戶在黑暗的駕駛艙移動艙內部時，或者調節(jié)醫(yī)用泵的流量時（見圖 1），按鈕應該要很容易通過觸摸來定位，而無需額外的視覺識別。

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、提供越來越多的功能，并延長 HMI 的使用壽命。傳統(tǒng)的按鈕和旋轉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。緩解這些問題可能代價高昂。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。緩解這些問題可能代價高昂。

將現(xiàn)代磁傳感器用于 HMI 應用可以極大地降低總設計成本，同時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的旋轉。例如，一個固定在旋轉部件上的磁鐵和一個對應的磁角度傳感器就可以實現(xiàn)非接觸式旋鈕的全部功能。只需將磁角度傳感器與磁鐵的旋轉軸對齊，即可通過磁鐵旋轉來感應旋鈕的實際旋轉位置。這種傳感器無需在電子設備和觸覺轉子（例如雨刷電位器）之間建立機械連接即可運行。使用磁傳感器可實現(xiàn)簡單且高度可靠的設計，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 應用的磁傳感器。它采用 MPS 專有的 SpinAxis? 技術，能夠實現(xiàn)小尺寸、高性價比的角度傳感器。

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，相比于傳統(tǒng)的電位器小巧許多，電位器沿單邊測量通常為10mm。

可靠性設計并滿足制造公差

磁傳感器因其非接觸式原理而異?？煽?。這與傳統(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，從而導致輸出角度的誤差，需要想辦法避免。

第一個潛在的誤差來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過程造成，也可能由于設備在使用過程中的磨損造成。它導致傳感器所在位置的磁場在旋轉過程中的非線性變化，從而影響傳感器的角度輸出。

例如，采用圖 2中的設置，誤差小于0.5°意味著橫向公差必須控制在+-0.2mm以內，這基本在典型的制造公差范圍以內。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)形磁體來實現(xiàn)穩(wěn)健的設計。例如，將磁體直徑從 5mm 增加到 8mm 可將可接受的橫向公差增加到+-0.4mm。

磁鐵尺寸是決定磁體和傳感器間氣隙間距的重要參數(shù)。氣隙間距的選取必須保證在傳感器位置的磁通量密度滿足傳感器正常工作需要。如圖2所示的應用中，氣隙間距可以在0mm至3.1mm毫米之間進行選取，其對應的磁場強度都在MA800所要求的磁場規(guī)格范圍內。通過在氣隙與磁體尺寸之間進行權衡，能夠提供機械設計的靈活性，從而滿足制造公差的要求。例如，直徑較大的磁鐵允許更大的氣隙。

請注意，在本文中，所有磁場相關的分析均可以利用MPS官網(wǎng)上公開的仿真工具magnetic simulation tool進行。該模擬工具允許設計人員快速檢查特定尺寸的磁配置所產生的磁場情況，并對公差或未對準產生的影響進行深入研究。

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用。

圖 4 顯示了磁場強度隨氣隙大小的變化，以及設定單閾值和雙閾值功能下的不同輸出表現(xiàn)（下面將對此進行詳細描述）。非按壓狀態(tài)下，氣隙距離為1.5mm，按壓狀態(tài)下，氣隙距離為0.5mm，按壓帶來的1mm軸向位移產生了60mT的磁場強大差MA800?具有可調節(jié)的磁場強度閾值，可為系統(tǒng)控制器提供不同的輸出信號，以安全地標記這種變化。

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