如何在恶劣环境中实现精确可靠的重型工业设备控制

作者：Kenton Williston

重型建筑、工业、机器人、船舶和航空设备的设计人员在增加更多功能的同时，也在寻找利用轻便、紧凑的控制系统对精细操作和运动进行更精确控制的方法。这些目标还必须在艰苦恶劣的环境中完成，在物理上和电力上都有很大的挑战性。

为了满足这些要求，设计人员需要确保用户界面具有精确控制所需的精度、方向灵活性和触觉反馈，同时要在极端温度下和使用周期内保持牢固可靠。

虽然触摸屏有其存在的价值，但它缺乏必要的触觉反馈和牢固性。此外，传统的 X/Y 操纵杆往往过于笨重，而且缺乏实现最大方向控制能力所需的信号选项和轴数。取而代之的是，设计人员可以使用短小的操纵杆或指拨摇杆，它们现在能够以坚固的外形提供更精细的控制。这些小型设备由使用者的拇指或手指操作，即使在狭窄的环境中也能轻松实现多种输入。

本文简要讨论了现代工业和其他重型设备需要更高控制精度的原因，以及短小型指拨摇杆是如何解决相关问题的。然后，回顾了关键的设计和实现准则，包括传感器选择、耐用性以及物理和电气设计选择。最后以 APEM Inc. 的短小型指拨摇杆为例，对真实世界中的指拨摇杆进行了介绍。

设备越精密需要的控制就更精确

随着工作场所需求的日益复杂和先进技术的不断采用，造成对更好操作控制的需求的加速增加。这一趋势促使人们不仅需要更精确、更复杂的控制装置，通常还需要更多的运动轴。

为了说明这一点，我们可以看看装卸集装箱船的海上龙门吊。随着船只越来越大，起重机需要更快地工作，以达到可接受的进港时间（这直接影响到利润）。与此同时，更严格的法规要求我们要提升安全和环保因素。

整个港口环境也在发生变化。这些港口的船舶、火车、卡车和其他设备都增加了技术，从而提高了对高精度协调的需求。例如，人们使用自动导引车 (AGV) 在港口内穿梭运送货物，且这些 AGV 需要精确地放置货物。

为了应对所有这些因素，起重机正在从液压操作转向电动操作。这不仅提高了速度和精度，还通过更复杂的水平、垂直和旋转运动组合提高了多功能性。

匹配操作控制与设备功能

为了控制这些日益复杂的设备，操作员需要同样能力的多轴控制器，这些控制器必须精确、可靠且易于使用。

触摸屏是一种选择。它们易于使用，可同时接受多路输入。不过，触摸屏很敏感，容易发生误触。污垢、湿气和极端温度都可能导致故障，屏幕也容易受到物理损坏和电磁干扰。最重要的是，它们不提供触觉反馈，因此不适合抬头操作重型设备。

操纵杆可以解决上述许多问题。将操纵杆安装在扶手控制台或腹箱上，可以完成舒适、符合人体工学的输入。只要设计合理，它们就能经受住恶劣环境条件的考验。它们还能向操作员提供物理反馈，让操作员视觉焦点始终集中在工作区。

不过，传统操纵杆在狭窄的环境中会占用大量空间，而且会突出来，容易造成意外操作。即使在空间充裕的情况下，操纵杆也要求操作员做出相对较大的动作，这就限制了操纵杆的精度。

指拨摇杆通过将操纵杆缩小到更易于管理的尺寸解决了这些问题。通过拇指或手指操作，这些短小的装置可将意外操作的风险降至最低。它们可以实现精确流畅的输入，操作员可以轻松地同时操纵两个指拨摇杆，从而解决了多路输入的问题。

短小型操纵杆特别适合便携式控制器，如腹箱或手持设备。但是，任何空间有限的应用都能受益其缩小的尺寸。

选择合适的传感器

当然，并不是所有的指拨摇杆都是一样的。首先，它们可以使用各种位置传感器，包括电位计（即电阻式）、电感式、光电式或霍尔效应（即磁性）传感器。这些方案各有利弊：

· 电位计传感器简单便宜，但寿命有限。
· 电感式传感器更加可靠，但对温度变化和电磁干扰 (EMI) 比较敏感。
· 光电传感器精度高，但易受灰尘、湿气和物理损坏的影响。
· 霍尔效应传感器准确耐用，但会受到强磁场的影响。

考虑到所有这些权衡因素，霍尔效应传感器通常是在恶劣环境中进行高精度传感的最佳选择。霍尔效应传感器的工作电压为标准的 3.3 伏或 5 伏直流电压 (DC)，与坚固耐用的机械装置配合使用，可使设备的预期使用寿命达到 1000 万次。

霍尔效应传感器在两个电极之间放置一层薄薄导电材料（图 1）。当电流 (I) 流过带这个导电带，且磁场 (B) 与之垂直时，导电带上就会产生电压差 (UH)。这一电压差称为霍尔电压，与磁场强度和方向成正比。

图 1：当电流 (I) 流过导电带，且磁通密度 (B) 垂直于导电带时，就会产生霍尔电压 (UH)。（图片来源：维基百科）

与工业操纵杆应用中的其他类型传感器相比，霍尔效应传感器的优势在于：

· 非接触式，不会随着时间的推移而磨损。
· 不受灰尘、污垢、湿气和振动的影响。
· 可以高精度、高分辨率地测量线性位移和角位移。
· 可以在很宽的温度和电压范围内工作。
· 很容易与数字电子设备和微控制器集成。

霍尔效应传感器特别有用，是因为它们可以检测位置和角度。这使得它们非常适合用于多轴控制，例如操纵杆不仅具有 X/Y 控制功能，还具有 Z 轴中心点按功能。

尽管如此，传感器只是一个需要考虑的设计参数。要成功实现霍尔效应指拨摇杆，需要仔细考虑多个物理和电气参数。

在控制面板上安装指拨摇杆

有时指拨摇杆会安装在一个受保护的固定位置，如控制面板上。更常见的情况是，操作员需要靠近工作区域，因此只能选择控制台、车辆扶手、吊索和腹箱等容易被滥用的位置。

如果在手持式外壳中使用指拨摇杆，则必须注意防止跌落损坏。应采取基本的预防措施，如将其安装在外壳最轻的一端，使其不会首先着地，或用防护罩保护，以确保长期可靠性。

车辆是另一种危险情况。倾斜的船舶或车辆上的控制装置可能会成为一个拙劣的抓手，因此必须将指拨摇杆保持在尽可能低的高度，以避免潜在危险的意外操作。

在上述任何一种情况下，指拨摇杆伸出板面上方的高度不应超过约 50 毫米 (mm)（2 英寸）。指拨摇杆与面板上的任何其他控制装置之间也必须有足够的间隙，如果操作员可能戴有厚实的手套，还必须留有额外的间隙。

让短小型操纵杆坚固耐用

工业操纵杆经常会被水溅或水浸中，因此这些设备的防护等级至少需要达到 IP66。这可以通过回旋保护罩来实现，即外装一个可以随着操纵杆移动和伸缩的柔性护套（图 2）。

操纵杆可放置在面板开口处或从背面安装。无论哪种情况，面板底部都不能有水雾、过度潮湿或灰尘，因为手柄的这一部分不受保护罩的保护。

图 2：短小型指拨摇杆的嵌装（左）使用了挡板和沉头螺钉；后端安装（右）使用机械螺钉和螺母，但不使用挡板。回旋保护罩的防护等级为 IP66。（图片来源：作者摘自 APEM 原始资料）

为了最大限度地提高耐用性，设计人员应寻找一种配有不锈钢轴、类似坚固型金属垫圈、底座机械装置和限位器的设备。如前所述，手持设备很容易跌落，因此操纵杆应通过 1 米 (m) 自由跌落测试。设计人员还应根据适用的 IEC 标准检查振动、电磁兼容性 (EMC) 和静电放电 (ESD) 保护的额定值是否合适。

在恶劣的环境中，耐极端温度也至关重要。例如，APEM 的 XS 系列短小型操纵杆的额定工作温度为 -30°C 至 +85°C，存储温度为 -40°C 至 +110°C。

最后，如果指拨摇杆要用于安全关键型应用（通常就是这种情况），则应选择安全完整性等级 (SIL) 达 SIL2 或更高等级的产品。

人的可用性因素设计考虑

操纵杆选择的材料是否合适，设计是否符合人体工程学，会对其可用性产生重大影响。设计人员需要牢记，控制器可能是湿的或脏的，操作员可能戴着厚厚的手套。因此，操纵杆帽应使用尼龙等材料，以提供耐用且易于抓握的表面。

如图 3 所示，操纵杆帽各不相同，可用于不同的应用场景。例如，APEM 的 XS140SCA12A62000 指尖操纵杆配有城堡盖（左）。这个盖子使操作员更容易感觉到主 X 轴和主 Y 轴，有助于保持直线轨迹。相比之下，XS140SDM12A62000 使用的是适合任意运动的指尖帽。

图 3：XS140SCA12A62000（左）上提供的城堡顶和 XS140SDM12A62000（右）上提供的平帽分别适用于线性运动和任意运动。（图片来源：作者摘自 APEM 原始资料）

操纵杆还可配上引导感。这样操纵杆更容易向主轴移动，而远离这些轴则需要更大的力。同样，操纵杆也可以配备定心力，以增加操纵杆的整体阻力。例如，APEM XS 系列短小型操纵杆可以用轻至 1 牛顿 (N) 或强至 2.5 N 的力弹向中心。

最后，操纵杆可以配置与中心位置相关的各种功能：

· 添加中心点按功能可使操纵杆像按钮一样使用，从而简化控制面板并实现更复杂的操作。
· 另外，中心点按还可用于电压测试，以确保电源正常工作。
· 对于需要活动/非活动状态指示器的应用，中心检测功能可确定操纵杆是否正在使用（该功能不得用于安全或安保目的）。

请注意，这些选项是相互排斥的。重要的是要确定哪些功能最适合在操纵杆上实现，哪些功能可以运用到其他控制器上。

电气设计考虑因素

为确保最高可靠性，请选择带有冗余霍尔效应传感器的操纵杆。此外，还必须仔细调节电源。如果电源的变化超出了规定的公差范围，则可能会对传感器造成永久性损坏，从而失去冗余的优势。

操纵杆的电压输出也需要精心设计。第一步，应选择输出信号类型（如模拟或脉宽调制 (PWM)）和电压比例，以便与读取这些信号的微控制器 (MCU) 的预期输入相匹配。图 4 举例说明了这种可能的输出电压。输出阻抗也应考虑在内。负载电阻过低（例如小于 10 千欧 (kΩ)）会产生大电流风险，从而损坏传感器。

图 4：对于多轴操纵杆，两个输出电压 (X/Y) 的比例应与 MCU 输入相匹配。（图片来源：APEM）

如前所述，霍尔效应传感器容易受到磁场干扰。因此，设计精良的操纵杆将包含内部磁屏蔽。应注意电源的正确去耦，并采用足够的 EMC 屏蔽。即使采取了这些措施，操纵杆也不应在强磁场附近安装或操作。

结语

随着工业设备日益复杂，设计人员需要采用更强大的控制装置，以确保用户界面具有精确控制所需的精度、方向灵活性和触觉反馈，同时在极端温度下和使用周期内保持稳定可靠。综上所述，短小型操纵杆是一种良好的解决方案。只要位置传感器、IP 防护等级、电磁隔离和人的可用性考虑得当，并辅以精心的设计实现，这种指拨摇杆就能让各种各样的应用受益。