如何在惡劣環境下針對重型工業設備達到精準、可靠的控制

大型工程、工業、機器人、船舶和航空設備的設計人員在應用中持續增加功能，也在尋找方法，使用輕型、緊湊的控制系統對精密作業和動作進行更精準控制。此外，這些目標必須在惡劣且嚴峻的環境中達成，這在對實體和電氣上都是一項挑戰。

為了滿足這些需求，設計人員需要確保使用者界面具有精準控制所需的精密度、方向靈活性和觸覺回饋，同時在極端溫度和使用循環內保持穩健和可靠。

雖然觸控螢幕佔有一席之地，但其缺乏必要的觸覺回饋和堅固性。而經典的 X/Y 搖桿往往體積太大，並且缺乏最大方向控制所需的訊號選項和軸數量。不過，設計人員可以使用低搖桿或拇指搖桿，以堅固的外形提供更精密的控制。這些小型元件由使用者的拇指或手指操作，即使在狹窄的環境中也可以輕鬆進行多重輸入。

本文簡要討論現代工業和其他重型設備的控制需要更高精密度的原因，以及低拇指搖桿如何解決相關問題。接著回顧關鍵設計和實作標準，包括感測器選擇、加強耐用性，以及實體和電氣設計選項。以實際運用的 APEM Inc. 低拇指搖桿為例。

更精密的設備需要更精準的控制

以下兩項主要趨勢，致使對提升操作人員控制能力之要求持續增加：工作場所需求複雜度提升，以及先進技術的採用。這些趨勢不僅促成控制需更加精準，也要求更加複雜，因此通常會需要更多動作軸。

為了說明這一點，我們以裝卸貨櫃船的船用龍門起重機為例。船舶越來越大，起重機的作業也需要更快，才能達到可接受的停泊時間 (這直接影響利潤)。與此同時，更嚴格的法規要求改善安全和對環境的影響，

整個港口的環境也在變化。港口的船舶、火車、卡車和其他設備的技術皆有提升，因此也對高精密度協調有所需求。例如，自動導引車 (AGV) 用於在港口周圍運送貨物，需要精準放置貨物。

為了因應所有這些因素，起重機從液壓操作轉為電動操作。如此不僅可提高速度和精密度，還能允許更複雜的水平、垂直和旋轉行程組合，提高功能性。

將操作人員控制裝置與設備功能相匹配

設備越來越複雜，若要進行控制，操作人員需要同樣強大的多軸控制裝置，且必須精準、可靠、易於使用。

可考慮採用觸控螢幕，不但容易使用，還可以輕鬆容納多重同步輸入。然而，觸控螢幕很敏感，容易不小心觸摸到。污垢、潮濕、極端溫度可能會導致故障，且容易受到受力損壞和電磁干擾。最重要的是，它們不提供觸覺回饋，因此不太適合重型設備的抬頭操作。

搖桿可解決許多這類問題。將搖桿安裝在扶手控制台或腹部控制盒上，以舒適且符合人體工程學的方式輸入。適當的設計可以承受惡劣的環境條件，還可以向操作人員提供受力回饋，讓視覺專注在工作區。

然而，傳統的搖桿在狹窄的環境中會佔用大量空間，並且可能會突出，導致意外操作影響作業。即使空間充足，搖桿也需要操作人員進行較大幅度的移動，這會限制其精密度。

拇指搖桿將搖桿縮小到更易於操控的尺寸，解決這些問題。這些薄型元件由拇指或手指操作，能將意外操作的風險降至最低。可以達到精準、平順的輸入；操作人員可以輕鬆地同時操作兩個拇指搖桿，解決需多重輸入的問題。

低搖桿特別適合可攜式控制器，例如腹部控制盒或手持式裝置。任何空間有限的應用都可以受益於縮減的尺寸。

選擇正確的感測器

當然，並非所有的拇指搖桿效果都一樣。首先，可能採用不同的位置感測器，包括電位 (電阻式)、電感、光電或霍爾效應 (磁性) 技術。每個選項都有其優缺點：

• 電位感測器簡單且便宜，但使用壽命有限。
• 電感式感測器更可靠，但對溫度變化和電磁干擾 (EMI) 敏感。
• 光電感測器非常精準，但容易受到灰塵、濕氣和受力損壞的影響。
• 霍爾效應感測器準確且耐用，但會受到強磁場的影響。

考量所有這些因素，霍爾效應感測器通常是在惡劣環境中進行高精密度感測的最佳選擇。霍爾效應感測器在標準 3.3 或 5 VDC 下運作，結合堅固的機械裝置，因此元件的預期壽命可達到 1000 萬次循環。

霍爾效應感測器在兩個電極之間放置一條薄導電材料 (圖 1)。當電流 (I) 流過帶材並垂直施加磁場 (B) 時，帶材兩端會產生電壓差 (U_H)。這種電壓差稱為霍爾電壓，與磁場的強度和方向成比例。

圖 1：電流 (I) 流經導電帶且磁通密度 (B) 垂直施加時，會產生霍爾電壓 (U_H)。(圖片來源：Wikipedia)

在工業搖桿應用中，霍爾效應感測器相對於其他類型感測器的一些優勢包括：

• 非接觸式，不會隨著時間而磨損。
• 不受灰塵、髒污、濕氣、振動的影響。
• 以高精密度和高解析度測量線性和角位移。
• 可以在很寬的溫度和電壓範圍內工作。
• 可以輕鬆地與數位電子裝置和微控制器整合。

霍爾效應感測器非常有用，因為它們可以檢測位置和角度。因此非常適合多軸控制，不僅具有 X/Y 控制，還具有 Z 軸中心分接頭的搖桿。

儘管如此，感測器只是需考慮的設計參數之一。成功實作霍爾效應搖桿還需要仔細考量幾項實體和電氣參數。

將拇指搖桿放在控制面板上

有時，拇指搖桿可以安裝在受保護的固定位置，例如控制面板。更常見的是，操作人員需要靠近工作地點，因此安裝地點會限制在控制台、車輛扶手、吊墜和腹部控制盒等容易造成損壞的位置。

如果拇指搖桿用於手持式外殼，則必須小心避免墜落損壞。此時應採用基本預防措施，例如將其安裝在外殼最輕的一端，以免墜落時先接觸地面，或可用防護罩提供保護，達到長期可靠性。

車輛會面臨的風險則不同。縱搖船舶或車輛上的控制器可能會誤用為手柄，因此必須將搖桿盡可能安裝在低處，可避免造成意外操作。

這些情況下，拇指搖桿的伸出長度不應超過面板表面上方約 50 mm (2 in)。拇指搖桿和面板上的任何其他操控元件之間還必須有足夠的間隔，如果操作人員需戴厚重的手套，則需要更多空間。

堅固耐用的低搖桿

工業搖桿經常會有墜落的可能或直接在水中，因此這些元件的防護等級至少需要達到 IP66。可以採用複雜的防護罩，隨著搖桿移動而膨脹和收縮 (圖 2)。

搖桿可以放入面板切孔或從後方安裝。這兩種情況下，面板的下緣都不得受到水噴霧、過度潮濕或灰塵的接觸，因為搖桿的這一部分未受防護罩保護。

圖 2：使用框架和沈頭螺絲直接安裝薄型拇指搖桿 (左)；使用機器螺絲和隨附的螺母，但沒有框架從後方安裝 (右) 。波紋防護罩提供 IP66 防護等級。(圖片來源：作者，源自 APEM)

為了達到最高耐用性，設計人員應該選用不鏽鋼軸的元件，並具備類似堅韌的金屬萬向關節和底座機械裝置與限制器。如前所述，手持式裝置容易掉落，因此應對搖桿進行 1 m 自由落體測試。設計人員還應依據適用的 IEC 標準檢查振動、電磁相容性 (EMC) 和靜電放電 (ESD) 保護的適當額定值。

在惡劣的環境中，耐極端溫度也非常重要。例如，APEM 的 XS 系列低搖桿的額定工作溫度為 -30°C 至 +85°C，儲存溫度為 -40°C 至 +110°C。

最後，如果搖桿要用於安全關鍵型應用 (通常如此)，請選用 SIL2 或更高的安全完整性等級 (SIL)。

人因可用性設計考慮

為搖桿選擇正確的材料和人體工學設計會對可用性產生重大影響。設計人員需謹記，控制器可能會潮濕或髒污，且操作人員可能戴著厚手套。因此，搖桿帽應使用尼龍等材料，提供耐用且易於抓握的表面。

如圖 3 所示，多種搖桿蓋帽可用於不同情境。例如，APEM 的 XS140SCA12A62000 指尖搖桿搭配堡形蓋帽 (左)。此蓋帽可讓操作人員更容易感覺到主 X 軸和 Y 軸，有助於保持直線軌跡。相較之下，XS140SDM12A62000 使用適合任意動作的指尖蓋帽。

圖 3：XS140SCA12A62000 (左) 的堡形頂端和 XS140SDM12A62000 (右) 提供的扁平蓋帽分別適合線性和任意動作。(圖片來源：作者，源自 APEM)

搖桿還可以配備導向感知 (guided feel)。這種搖桿更容易朝主軸方向移動；遠離這些軸需要施更大的力。同樣地，搖桿可以配備增加搖桿整體阻力的回中力 (centering force)。例如，APEM XS 系列低搖桿可以用輕至 1 N 或重至 2.5 N 的力彈回中心。

最後，搖桿可以配置與中心位置相關的各種功能：

• 添加中心點按 (center tap) 功能，讓搖桿像按鈕一樣使用，如此可以簡化控制面板並進行更複雜的操作。
• 或者，可以使用中心點按進行電壓測試，確保電源供應器正常運作。
• 對於需要活動／非活動狀態指示器的應用，中心檢測功能可以確定搖桿是否正在使用 (此功能不應用於安全或保全目的)。

請注意，這些選項為互斥。必須確定哪個功能最適合搭載在搖桿上，以及其他哪些功能可以對應於其他控制元件。

電氣設計注意事項

為了確保達到最大可靠性，請選用含冗餘霍爾效應感測器的搖桿。此外，必須謹慎調節電源。如果電源變化超出規定的容差，可能會對感測器造成永久損壞，會消除冗餘的優勢。

搖桿的電壓輸出也需要仔細設計。第一步，應選擇輸出訊號類型 (例如類比或脈寬調變 (PWM))，並調整電壓以匹配微控制器單元 (MCU) 的預期輸入，以讀取這些訊號。圖 4 顯示可能的輸出電壓，還應考慮輸出阻抗。低負載電阻 (例如，小於 10 kΩ) 會產生高電流，可能會損壞感測器。

圖 4：對於多軸搖桿，應調整兩個輸出電壓 (X/Y) 的大小，以匹配 MCU 輸入。(圖片來源：APEM)

如前所述，霍爾效應感測器容易受到磁干擾。因此，精心設計的搖桿將包含內部磁屏蔽。需注意對電源供應器適當去耦，並採用足夠的 EMC 屏蔽。即使採取這些措施，搖桿也不應在強磁場附近安裝或操作。

結論

工業設備的複雜度不斷增加，設計人員需要更強大的控制，以確保使用者界面具有精準控制所需的精密度、方向靈活性和觸覺回饋，同時在極端溫度和使用循環內保持穩健和可靠。如圖所示，低搖桿可能是一個不錯的解決方案。適當考量位置感測器、IP 等級、電磁隔離和人因可用性，並輔之以仔細的設計實作，拇指搖桿可以為各種應用帶來許多優勢。