使用磁性传感器确保可靠性的触觉HMI

旋转拨盘用于人机界面 （HMI） 的各种应用。触摸界面包括日常设备上的按钮、旋钮和转盘，从汽车和白色家电到手机的触摸屏。这些设备不仅将人类输入转化为电信号，而且还提供了一项重要功能——触觉反馈。这对于时间敏感情况下的安全相关功能特别有用，例如当用户在黑暗的驾驶舱移动舱内部或调整医用泵的流量时。按钮应该很容易通过触摸定位，而不需要额外的视觉识别。

然而，新设计不断推陈出新，以生产适合新外形、提供附加功能并延长 HMI 寿命的新颖解决方案。传统的按钮和旋转拨盘通常是一个限制因素，因为它们占据了很大的体积，从按钮到 PCB 上的焊点具有刚性耦合，并且它们的触点布局特定的、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）在运行数小时后会受到振动、温度波动和湿度的影响。这种恶劣的环境对旋钮的使用寿命产生不利影响，而按钮的轴为湿气提供了进入其他控制电子设备的路径。缓解这些问题可能代价高昂。

将现代磁传感器用于 HMI 应用可以显着降低总体设计成本，同时提高可靠性和机械设计灵活性。本文深入介绍了优化 HMI 应用程序的基本思想和设计注意事项。

简单且具有成本效益的传感原理

集成的基于霍尔的磁性角度传感器配备齐全，可检测磁场的旋转。例如，带有连接到旋转部件的小型指示器磁铁的传感器会产生一个功能齐全的非接触式旋钮。只需将磁性角度传感器与磁铁的旋转轴对齐，即可通过磁铁旋转感应旋钮的实际旋转位置。该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。使用磁性传感器可创建简单、高度可靠的设计，并且使用寿命极长。

图 2 显示了一个使用 MA800 的旋钮，MA800 是 MPS 的一种磁传感器，旨在改进 HMI 应用。MA800 采用 MPS 专有的 SpinAxis™ 技术，该技术允许角度传感器以小型、极具成本效益的封装实现。

图 2：带有磁感应的旋转旋钮的横截面

整个磁传感器对占用很小的体积，留出足够的空间来通过轴承、棘爪或光导定制旋钮的触觉或光学外观。图 2 所示配置的占位面积小于 5mmx5mm。这是电位器替代品尺寸的一小部分，通常沿单边测量 10mm。

设计可靠性和满足制造公差

磁性传感器由于其非接触式原理而非常可靠。这与传统的滑环电位器形成鲜明对比，滑环电位器因其接触问题而臭名昭著，典型的使用寿命约为 250，000 次循环。然而，磁传感器在某些方面也受到限制。这些限制和扭曲是什么，如何避免？

第一个潜在的失真源是传感器相对于旋转轴的横向位移。这些位移可能是由于生产过程中的不准确而引起的，也可能是由于设备在其整个生命周期内的磨损而造成的。这会导致传感器检测到磁非线性。

例如，使用图 1 所示的设置，低于 0.5° 的失配意味着横向公差为 ±0.2mm — 这完全在典型的制造公差范围内。如果出于某种原因需要更大的公差，则可以使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 会将横向公差提高到 ±0.4mm。

磁铁的尺寸对于处理磁铁和传感器之间的气隙的任何变化至关重要。至关重要的是，此类偏差不会使传感器位置的通量密度超出其所需条件。在图 2 中，气隙可以在 0.0mm 和 3.1mm 之间变化，而不会超出 MA800 的规格。这种机械设计灵活性可用于通过权衡气隙和磁体尺寸来满足制造公差要求。例如，较宽的目标磁体可实现较大的气隙。

请注意，对于本文，所有磁分析均使用公开可用的磁模拟工具进行。该模拟器允许设计人员快速检查特定的磁性配置，并对公差或未对准的影响进行深入调查。

按钮

除了旋转功能外，一些 HMI 应用程序还需要一个按钮。当气隙变化引起磁场强度变化时，MA800会检测到按钮事件。图 3 显示了按钮组合旋钮的典型情况。

图 3：具有按钮功能的旋钮横截面

图 4 显示了与磁体到传感器距离相关的场梯度，以及单阈值和双阈值之间的差异（下面详细描述）。1mm的轴向位移、1.5mm的标称气隙和0.5mm间隙的压制位置产生60mT的场差。MA800 具有可调节的磁阈值，可通过不同的输出信号安全地标记这种转换到系统控制器。

图 4：使用 MA800 的按钮实现

这种非接触式过程是一种无磨损检测原理。重要的是要确保机制的寿命变化不会降低传感可靠性。图 4 显示了 MA800 的磁阈值的叠加，以及它们在典型配置的场强曲线顶部的相关磁滞间隔。标称磁设置的设计方式使得两个端点都与磁开关阈值有足够的距离，以确保随着时间的推移可能积聚的外来颗粒不会阻碍机械行程到不超过开关阈值的点。

当沿轴向行程的磁场差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磁场强度和低磁场强度。图 4 显示了这种双阈值配置的示意图。双阈值为整个应用程序增加了安全功能，因为它可以检测机械故障，以防按钮卡在中间位置。

在选择非接触式感应机制（从而消除旋钮和按钮的接触问题）时，推动机制成为最大的限制因素。图 3 还说明了一个概念，其中轴向定位的点击磁铁吸引轴上的钢环。这两者之间的磁力为轴向行程创建了一个阈值，可以通过材料常数和涂层轻松调整该阈值。此外，这个概念在整个生命周期内都不会磨损。

选择低功耗、紧凑的解决方案

对于低功耗和电池供电的应用，MPS 还提供 MA782。与 MA800 相同的磁性设计原则也适用于 MA782。该传感器的刷新率是可配置的，可以将传感器的平均消耗降低到 10µA 以下。

此外，MA782 还提供一个专用信号，指示运动何时超过某个角度阈值。在这种看门狗场景中，角度传感器用作整个系统的唤醒触发器，并允许微控制器 （MCU） 和显示器保持在睡眠模式以节省大量电池电量。

由于 MA782 还采用 UTQFN-14 （2mmx2mm） 封装，因此它结合了超低功耗感应和超小尺寸。这种独特的组合在新兴应用中发挥了重要作用，例如家庭中的无线恒温器或可折叠手机中的铰链控制。

这些传感器的小尺寸和低功耗功能使其非常适合用于在旋转轴或铰链末端没有空间放置传感器（和 PCB）的严格设计。MA782 等设备通过特殊补偿感应远离旋转轴的磁场，以准确恢复机械角度和传感器输出之间的线性关系。

结论

在使用磁传感器实现 HMI 转盘和按钮时，在设计解决方案时需要考虑各种选项，例如将触觉元件的机械装置与电子设备分离，以及为周围的机械装置留出足够的空间。本文概述了设计非接触式、经济高效的 HMI 解决方案的简单设计指南，该解决方案具有无与伦比的使用寿命和低功耗。

审核编辑：郭婷