采用磁传感器提升触觉人机界面的可靠性

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简介

一直以来，旋转拨盘被广泛应用于各种人机界面 (HMI) 应用中。从汽车、白色家电，再到手机触摸屏，各种日用设备的触摸界面中都包括了按钮、旋钮和拨盘功能。这些功能不仅将人类输入转化为电信号，而且还提供了一项重要的功能——触觉反馈。这种功能对时间敏感情况下的安全相关功能尤其有用，例如当用户在黑暗的驾驶舱移动舱内部时，或者调节医用泵的流量时（见图 1），按钮应该要很容易通过触摸来定位，而无需额外的视觉识别。

然而，新设计不断推陈出新，解决方案也更加新颖以适应新的外形要求、提供越来越多的功能，并延长 HMI 的使用寿命。传统的按钮和旋转拨盘此时成为了一个限制因素。因为它们体积很大，从按钮到 PCB 上的焊点之间又具有刚性耦合，而且触点的布局也导致了特定、有限的使用寿命。

例如，许多白色家电的面板上都有一个看似简单的单按钮界面。整台机器（包括旋钮）在数小时的运行中都会受到振动、温度波动和湿度的影响。这种恶劣的环境会对旋钮的使用寿命产生不利影响，而按钮的轴也为湿气侵入其他控制电子设备提供了通道。缓解这些问题可能代价高昂。例如，许多白色家电的面板上都有一个看似简单的单按钮界面。整台机器（包括旋钮）在数小时的运行中都会受到振动、温度波动和湿度的影响。这种恶劣的环境会对旋钮的使用寿命产生不利影响，而按钮的轴也为湿气侵入其他控制电子设备提供了通道。缓解这些问题可能代价高昂。

将现代磁传感器用于 HMI 应用可以极大地降低总设计成本，同时还能提高可靠性和机械设计的灵活性。本文将深入介绍了这种优化HMI 应用的基本思想和设计注意事项。

利用简单且经济高效的传感原理

集成霍尔效应的磁角度传感器能够检测磁场的旋转。例如，一个固定在旋转部件上的磁铁和一个对应的磁角度传感器就可以实现非接触式旋钮的全部功能。只需将磁角度传感器与磁铁的旋转轴对齐，即可通过磁铁旋转来感应旋钮的实际旋转位置。这种传感器无需在电子设备和触觉转子（例如雨刷电位器）之间建立机械连接即可运行。使用磁传感器可实现简单且高度可靠的设计，而且使用寿命极长。

图 2 显示了一个用MA800 实现的旋钮，MA800 是MPS提供的一款用于改善HMI 应用的磁传感器。它采用 MPS 专有的 SpinAxis™ 技术，能够实现小尺寸、高性价比的角度传感器。

整个磁传感器对只需占用很小的体积，它留出了足够的空间，以通过轴承、棘爪或光导来定制旋钮的触觉或视觉外观。如图 2 中的配置，其占位面积小于 5mmx5mm，相比于传统的电位器小巧许多，电位器沿单边测量通常为10mm。

可靠性设计并满足制造公差

磁传感器因其非接触式原理而异常可靠。这与传统的滑环电位器形成鲜明对比。滑环电位器因接触性而备受诟病，其典型使用寿命大约为 250,000 次循环。不过，磁传感器在某些方面也受到一些限制，从而导致输出角度的误差，需要想办法避免。

第一个潜在的误差来源是传感器相对于旋转轴的横向位移。这些位移可能由于不精确的生产过程造成，也可能由于设备在使用过程中的磨损造成。它导致传感器所在位置的磁场在旋转过程中的非线性变化，从而影响传感器的角度输出。

例如，采用图 2中的设置，误差小于0.5°意味着横向公差必须控制在+-0.2mm以内，这基本在典型的制造公差范围以内。如果出于某种原因需要更大的公差，则可以采用更大的磁体直径或环形磁体来实现稳健的设计。例如，将磁体直径从 5mm 增加到 8mm 可将可接受的横向公差增加到+-0.4mm。

磁铁尺寸是决定磁体和传感器间气隙间距的重要参数。气隙间距的选取必须保证在传感器位置的磁通量密度满足传感器正常工作需要。如图2所示的应用中，气隙间距可以在0mm至3.1mm毫米之间进行选取，其对应的磁场强度都在MA800所要求的磁场规格范围内。通过在气隙与磁体尺寸之间进行权衡，能够提供机械设计的灵活性，从而满足制造公差的要求。例如，直径较大的磁铁允许更大的气隙。

请注意，在本文中，所有磁场相关的分析均可以利用MPS官网上公开的仿真工具magnetic simulation tool进行。该模拟工具允许设计人员快速检查特定尺寸的磁配置所产生的磁场情况，并对公差或未对准产生的影响进行深入研究。

按钮

除了旋转功能以外，有些HMI 应用还需要按钮功能。MA800可以在气隙变化引起磁场强度变化时，检测到按钮事件。图 3 显示了按钮和旋钮组合的典型应用。

图 4 显示了磁场强度随气隙大小的变化，以及设定单阈值和双阈值功能下的不同输出表现（下面将对此进行详细描述）。非按压状态下，气隙距离为1.5mm，按压状态下，气隙距离为0.5mm，按压带来的1mm轴向位移产生了60mT的磁场强大差MA800 具有可调节的磁场强度阈值，可为系统控制器提供不同的输出信号，以安全地标记这种变化。

这种非接触式的检测过程是一种无损检测方式，需要确保这种传感的可靠性不会受到机械结构寿命变化的影响。图4中展示了MA800的磁场检测阈值和迟滞区间，并在磁场强度的曲线上标出了他们所对应的空隙间距。旋钮非按压状态以及按压状态下对应的磁场大小，应当与磁场阈值留有充足的余量，以确保随着时间的推移，即使有积累的外来颗粒物对按压过程的实际行程距离产生影响，设定的阈值仍能正常在按压或回弹的过程中达到。

当沿轴向行进的磁场差值大到足以安全地通过多个开关阈值时，建议采用不同的阈值来检测高场强和低场强。图 4 显示了这种双阈值配置的示意图。传感器双阈值的设置可以帮助检测到旋钮卡在中间位置的情况，整个应用系统可利用这一特性完善相关的安全机制。

在选择非接触式感应机制（从而避免旋钮和按钮的接触问题）时，按压机制成为最大的限制因素。图3还展示了一种设计方案，将一个轴向充磁的磁铁固定在平面上，从而对固定在轴上的钢环产生力的作用。这两者之间的磁力为轴向行程创建了一个阈值，通过材料常数和涂层可以轻松调节该阈值。而且，它在整个生命周期内都不存在磨损。