CN103793050A

CN103793050A - 触觉致动器控制器

Info

Publication number: CN103793050A
Application number: CN201310525220.1A
Authority: CN
Inventors: 马亚诺·加尔加; 戴维·埃尔南德斯; 布兰东·贝克汉姆
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2033-10-30
Also published as: CN103793050B; US9274602B2; US20140118126A1

Abstract

本发明揭示一种用于控制触觉致动器(114)的设备和方法。在一个实施例中，触觉致动器控制器(102)包含驱动器输入放大器(104)、致动器反馈放大器(106)、致动器驱动器(108)和增益控制器(110)。所述致动器驱动器(108)经配置以基于所述输入放大器(104)的输出与所述致动器反馈放大器(106)的输出的差而驱动触觉致动器(114)。所述增益控制器(110)经配置以确定用于起始所述触觉致动器(114)的运动的提升间隔，所述提升间隔是基于超过所述触觉致动器(114)产生的反电动势BEMF电压的提升阈值BEMF电压值。所述增益控制器(110)还经配置以在所述提升间隔期间在所述输入放大器(104)和所述反馈放大器(106)中施加提升增益。所述提升增益高于在所述提升间隔之后施加的增益以维持所述触觉致动器(114)的运动。

Description

触觉致动器控制器

技术领域

背景技术

为改进可操作性，许多电子装置采用触觉技术或触觉反馈。触觉技术经由用户的触摸感测而向装置的用户提供信息。因此，触觉技术可采用经由触摸感测到的各种刺激，例如振动、压力、温度等。振动(例如，周期性运动)通常用于提供触觉反馈。举例来说，装置可在用户触摸触摸屏的控制区域时或在触发警报条件时即刻振动。

线性谐振致动器(LRA)和离心旋转质量(ERM)致动器是用于提供振动反馈的两种类型的触觉致动器。ERM致动器包含具有附接到转子轴的离心(偏心)质量的电动马达(例如，电刷式DC马达)。当激活时，ERM致动器产生二维振动效果。LRA包含附接到弹簧的质量，和在所述质量附近的线圈。将线圈通电导致质量线性移动从而在一个维度上产生振动。触觉系统采用耦合到触觉致动器的驱动器或控制电路以在触觉致动器中引发运动。

发明内容

本文揭示用于控制触觉致动器的操作的设备和方法。在一个实施例中，一种触觉致动器控制器包含驱动器输入放大器、致动器反馈放大器、致动器驱动器和增益控制器。致动器驱动器经配置以基于输入放大器的输出与致动器反馈放大器的输出的差而驱动触觉致动器。增益控制器经配置以确定用于起始触觉致动器的运动的提升间隔，所述提升间隔是基于超过触觉致动器产生的反电动势(BEMF)电压的提升阈值BEMF电压值。增益控制器还经配置以在提升间隔期间在输入放大器和反馈放大器中施加提升增益。所述提升增益高于在提升间隔之后施加的增益以维持触觉致动器的运动。

在另一实施例中，一种用于驱动触觉致动器的方法包含识别提升间隔，其中触觉致动器产生的反电动势(BEMF)电压小于提升阈值BEMF电压值，以供起始触觉致动器的运动。在提升间隔期间，将输入提升增益施加到驱动器输入信号，且将反馈提升增益施加到触觉致动器产生的BEMF电压。在提升间隔终止时，将减小的输入增益施加到驱动器输入信号，且将减小的反馈增益施加到触觉致动器产生的BEMF电压。输入提升增益超过减小的输入增益，且反馈提升增益超过减小的反馈增益。

在又一实施例中，一种触知反馈系统包含经配置以控制触觉致动器的运动的致动器控制器。致动器控制器包含输入放大器、反馈放大器、致动器驱动器和放大器增益控制器。放大器增益控制器耦合到输入放大器和反馈放大器，且经配置以控制输入放大器和反馈放大器的增益。增益控制器进一步经配置以确定用于停止触觉致动器的运动的制动结束间隔。制动结束间隔是基于超过触觉致动器产生的反电动势(BEMF)电压的制动结束阈值BEMF电压值。增益控制器进一步经配置以在制动结束间隔期间在输入放大器和反馈放大器中施加制动结束增益。所述制动结束增益低于在制动结束间隔之前在输入放大器和反馈放大器中施加的增益。

附图说明

针对本发明的示范性实施例的详细描述，现将参看附图，其中：

图1展示触知反馈系统的实例的框图；

图2展示施加到由致动器控制器产生的致动器驱动信号的提升增益和对应的触觉致动器运动的实例；

图3展示施加到由致动器控制器产生的致动器驱动信号的制动结束增益和对应的触觉致动器运动的实例；

图4展示在不施加制动结束增益的情况下由致动器控制器产生的致动器驱动信号的振荡的实例；

图5展示选择增益以供在致动器控制器中施加的增益控制器的实例的框图；以及

图6展示用于驱动触觉致动器的实例方法的流程图。

具体实施方式

可在开放或闭合回路配置中实施用于驱动例如线性谐振致动器(LRA)和离心旋转质量(ERM)致动器等触觉致动器的控制器。在闭合回路配置中，触觉系统的速度由触觉致动器的参数以及由控制回路的增益(例如，从触觉致动器施加到反馈信号的增益)决定。ERM的闭合回路旋转速度响应可近似为：

\frac{Ω (s)}{INPUT (s)} = \frac{G_{IN} K_{t}}{R \cdot J} \frac{1}{s + [\frac{B}{J} + \frac{G_{FB} \cdot K_{t} \cdot k_{M}}{R \cdot J}]} - - - (1)

其中：

Ω是以弧度／秒计的角频率或旋转速度；

K_t是转矩常数；

K_m是反电动势常数；

J是惯量；

R是线圈电阻；

G_IN是输入增益；且

G_FB是反馈增益。

ERM系统的瞬时响应由下式给出：

ω (t) = \frac{G_{IN} K_{t}}{R \cdot J + G_{FB} \cdot K_{t} \cdot K_{m}} [1 - e^{- [\frac{R}{J} + \frac{G_{FB} \cdot K_{t} \cdot K_{m}}{R \cdot J}] t}] Input (t) - - - (2)

其中：

ω是以弧度／秒计的角频率或旋转速度；

K_t是转矩常数；

K_m是反电动势常数；

J是惯量；

R是线圈电阻；

G_IN是输入增益；且

G_FB是反馈增益。

如以上等式(2)指示，可通过增加反馈增益来改进ERM系统的瞬时响应。采用LRA的闭合回路系统展现类似的瞬时响应反馈增益关系。

虽然增加增益可改进安定时间，但增加增益也可导致系统不稳定性。举例来说，较高反馈增益可改进制动(即，停止致动器运动)，但也可导致施加到致动器的力或转矩的较大扰动，尤其当致动器几乎停止时。考虑LRA系统，如果质量位移振幅较小且磁力归因于大反馈增益而较高，那么致动器可颠倒方向且质量位移可增加而不是减小。此外，在触觉控制器需要锁定到机械系统(例如，LRA系统)的谐振频率的情况下，控制器可失去锁定，因为施加到质量的过大力改变了反电动势(BEMF)电压的周期。BEMF电压是由ERM马达在其操作(例如，自旋)时产生的电压，或由LRA在其移动穿过线圈的磁场时产生的电压。

因为触觉学有效的间隔可能较短，所以在尽可能短的持续时间内使触觉致动器达到所要输出水平是有利的。本文揭示的触觉致动器控制器的实例通过在启动间隔期间施加提升增益而缩短触觉致动器的启动时间。在致动器启动期间，可施加提升增益直到致动器输出超过预定水平为止。所述实例还在致动器正被停止时(制动期间)通过在制动结束间隔期间施加减小的增益(制动结束增益)而提供快速安定和稳定操作。可在致动器输出在制动期间下降到预定水平时施加制动结束增益。因此，所述实例可将触觉致动器的操作分割到不同间隔中，包含：用于快速致动器启动的提升间隔和用于稳定的致动器制动的制动结束间隔。在提升间隔期间施加提升增益。提升增益高于提升间隔之后施加的增益。在制动结束间隔期间施加制动结束增益。制动结束增益低于制动结束间隔之前施加的增益。

图1展示触知反馈系统100的实例的框图。系统100包含触觉致动器114和致动器控制器102。触觉致动器114可包含LRA或ERM。致动器控制器102耦合到触觉致动器114且提供控制触觉致动器114的运动的驱动信号116。致动器控制器102包含驱动器输入放大器104、致动器反馈放大器106、致动器驱动器108和增益控制器110。输入放大器104将增益施加到致动器控制器102接收的输入信号118。输入信号118经断言以控制经由触觉致动器114对触知反馈的提供。

反馈放大器106将增益施加到从触觉致动器114反馈到控制器102的BEMF电压信号120。反馈放大器106的经放大输出122在求和接点112中与输入放大器104的经放大输出124组合。求和接点112中产生的经放大输出122与124的差(误差(ERROR)信号126)被提供到输出驱动器108以驱动触觉致动器114。

增益控制器110监视输入信号118、反馈信号120和ERROR信号126，且基于输入信号118、反馈信号120和ERROR信号126的振幅以及致动器驱动序列的状态而设定输入放大器104和反馈放大器106的增益。增益控制器110设定输入放大器104和反馈放大器106的增益，且借此在不同间隔中提供对触觉致动器114的驱动。

增益控制器110在提升间隔中起始触觉致动器114的运动。在提升间隔期间，增益控制器110在输入放大器104和反馈放大器106中施加提升增益。提升增益为相对高的增益，其在施加时会快速增加触觉致动器114的运动。增益控制器可在提升间隔期间施加相对高的提升增益，因为输出驱动器108产生的驱动信号116根据触觉致动器114的最大驱动电压而被箝位到最大电压。

增益控制器110可基于BEMF信号120和输入信号118将提升间隔(Boost)界定为：

Boost=|BEMF|<(K_{THRESH_BOOST}*INPUT*|BEMF_FULLSCALE|)且ERROR>0 (3)

其中：

K_{THRESH_BOOST}是提升阈值缩放因数，其为正值且小于1；

INPUT是正规化为满标度1的输入信号118的振幅；

BEMF_FULLSCALE是由触觉致动器114响应于满标度致动器驱动信号116产生的BEMF电压值；

INPUT*|BEMF_FULLSCALE|表示针对对应输入信号118的目标BEMF量值；

K_{THRESH_BOOST}*INPUT*|BEMF_FULLSCALE|界定经施加以界定提升间隔的提升阈值BEMF电压值；且

ERROR>0(即，ERROR信号126>0)将提升间隔界定为仅在驱动致动器时，而非在制动时。

在提升间隔期间由增益控制器110在输入放大器104和反馈放大器106中施加的提升增益可界定为：

GIN_SYSTEM=K_BOOST*GIN_STORED (4)

GFB_SYSTEM=K_BOOST*GFB_STORED (5)

其中：

GIN_SYSTEM是输入放大器104中施加的增益；

GFB_SYSTEM是反馈放大器106中施加的增益；

GIN_STORED是预定输入放大器参考增益值；

GFB_STORED是预定反馈放大器参考增益值；且

K_BOOST是施加到参考增益以产生提升增益的预定提升缩放值。K_BOOST大于1。

因此，在K_{THRESH_BOOST}*INPUT*|BEMF_FULLSCALE|且K_{THRESH_BOOST}=0.7的情况下，举例来说，如果触觉致动器114尚未达到其目标BEMF量值的70％，那么增益控制器110将使回路增益(输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益)提升因数K_BOOST。

在提升间隔结束时，增益控制器110相对于提升增益而减小输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益，以维持触觉致动器114的运动。增益控制器110可基于下式施加减小的增益：

!(|BEMF|<(K_{THRESH_BOOST}*INPUT*|BEMF_FULLSCALE|)且ERROR>0) (6)

增益控制器110在提升间隔之后在输入放大器104和反馈放大器106中施加的减小的增益可界定为：

GIN_SYSTEM=GIN_STORED (7)

GFB_SYSTEM=GFB_STORED (8)

其中增益控制器110施加预定参考增益值作为减小的增益值。

图2展示致动器控制器102中施加的实例提升增益和触觉致动器114中的对应运动。图2的信号可适用于例如LRA。驱动信号202由致动器控制器102产生且在触觉致动器114中产生信号204表示的运动。提升增益的施加反映在致动器114的运动起始时的驱动信号202的增加的振幅中。如信号204所示，致动器运动的振幅响应于提升增益而快速增加到所要水平。当接近致动器运动的所要振幅时，增益控制器110通过驱动信号202的振幅的突然减小而施加如图所示的减小的增益。对比之下，在不采用本文描述的提升间隔的致动器控制器中，致动器驱动信号206反映较低初始驱动，其缓慢减小到减小的驱动水平，借此减小致动器输出208实现所要振幅的速率。因此，所界定的提升间隔期间提升增益的施加和基于接近所要水平的致动器运动的振幅的减小的增益的后续施加有利地缩短致动器响应时间。

增益控制器110还可在触觉致动器114的运动的制动期间提供稳定化。增益控制器110在制动结束间隔中停止触觉致动器114的运动。在制动结束间隔期间，增益控制器110在输入放大器104和反馈放大器106中施加制动结束增益。制动结束增益为相对低的增益，其在施加时增加控制回路(包含输入放大器104和反馈放大器106)的稳定性，从而驱动触觉致动器114。增益控制器110可基于BEMF信号120将制动结束间隔(EOB)界定为：

EOB=|BEMF|<(K_{THRESH_EOB}*|BEMF_FULLSCALE|)且ERROR<0 (9)

其中：

K_{THRESH_EOB}是制动结束阈值缩放因数，其为正值且小于1；

K_{THRESH_EOB}*|BEMF_FULLSCALE|界定用于界定制动结束间隔的制动结束阈值BEMF电压值；且

ERROR<0(即，ERROR信号126<0)将制动结束间隔界定为仅在使触觉致动器114停止时(即，制动时)。

在制动结束间隔期间由增益控制器110在输入放大器104和反馈放大器106中进行的制动结束增益的施加可界定为：

GIN_SYSTEM=GIN_EOB (10)

GFB_SYSTEM=GFB_EOB (11)

其中：

GIN_EOB和GFB_EOB是当BEMF己达到所要制动结束阈值时提供控制回路稳定性的预定制动结束增益值。GIN_EOB和GFB_EOB是低于在制动结束间隔之前在输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益值的增益值。

因此，在K_{THRESH_EOB}*|BEMF_FULLSCALE|且K_{THRESH_EOB}=0.1的情况下，举例来说，如果触觉致动器114的输出振幅已达到满标度BEMF量值(即，满标度致动器驱动下的BEMF振幅)的10％或更小，那么增益控制器110将通过施加制动结束增益而减小回路增益(输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益)。

图3展示施加到由致动器控制器102产生的致动器驱动信号116的制动结束增益和对应的触觉致动器运动的实例。图3的信号可适用于例如LRA。如图3所示，输出驱动信号304响应于增益控制器110施加制动结束增益而在间隔302期间是稳定的。图3还展示在制动结束间隔之前，增益控制器110可增加施加到致动器驱动信号116的增益以加速制动。与图3相比，图4展示致动器控制器产生的不稳定驱动信号404的振荡，所述致动器控制器在间隔402期间维持高于致动器控制器102在间隔302期间施加的制动结束增益的增益。

图5展示增益控制器110的实例的框图。增益控制器110包含驱动间隔确定逻辑502和增益选择逻辑504。驱动间隔确定逻辑502确定正在提升间隔、制动结束间隔还是如本文描述的其它驱动间隔中提供对触觉致动器114的驱动。驱动间隔确定逻辑502可基于如本文揭示的表达式(3)、(6)和(9)识别驱动间隔。

由驱动间隔选择逻辑502将关于当前驱动间隔的信息提供到增益选择逻辑504。增益选择逻辑504根据当前驱动间隔产生且／或选择用于在输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益值。增益选择逻辑504可根据本文揭示的表达式(4)、(5)、(7)、(8)、(10)和／或(11)产生且／或选择增益。

致动器控制器102的各种组件可实施为模拟电路。举例来说，输入放大器104、反馈放大器和／或增益控制器110可实施为模拟电路，其将增益施加到或以其它方式处理输入信号118和／或反馈信号120的模拟版本。或者，致动器控制器102的组件可实施为数字电路。举例来说，输入放大器104、反馈放大器和／或增益控制器110可实施为数字电路，其以数字形式将增益施加到或以其它方式处理输入信号118和／或反馈信号120的数字表示。另外，致动器控制器102可包含为清楚起见已从图1省略的各种组件。举例来说，致动器控制器102可包含模／数转换器、数字信号处理电路、增益值存储装置，和／或模拟比较器等。

图6展示用于驱动触觉致动器114的方法600的实例流程图。尽管为方便起见循序地描绘，但所展示的动作中的至少一些可以不同次序执行且／或并行执行。

在框602中，触觉致动器114处于静止状态(即，不在运动中)。致动器控制器102接收指示将起始触觉致动器114的运动的输入信号118。举例来说，如果触觉致动器114为ERM，那么信号118可从零伏转变为正电压以起始ERM的运动。

在框604中，增益控制器104确定待用于界定提升间隔的提升阈值BEMF电压值，将在所述提升间隔期间在输入放大器104和反馈放大器106中施加提升增益。提升阈值BEMF值还可如本文所描述基于触觉致动器114对满标度驱动信号的响应(即，致动器114响应于满标度驱动信号产生的BEMF电压)、输入信号118的振幅和提升阈值缩放因数而确定为：

K_{THRESH_BOOST}*INPUT*|BEMF_FULLSCALE|

在框606中，致动器控制器102正驱动触觉致动器114以起始其中的运动。致动器控制器102将触觉致动器114产生的BEMF电压120与提升阈值BEMF电压值进行比较以识别将在其间施加提升增益的提升间隔。致动器控制器102可将提升间隔界定为在其间提升阈值BEMF电压值超过触觉致动器114产生的BEMF电压的周期。在提升间隔期间，致动器控制器102经由输入放大器104将输入提升增益施加到输入信号118，且经由反馈放大器106将反馈提升增益施加到BEMF反馈电压信号120。基于ERROR信号126的提升间隔也可大于零。

如果当起始触觉致动器114的运动时提升阈值BEMF电压值不超过触觉致动器114产生的BEMF电压，那么致动器控制器102可相对于提升增益减小输入放大器104和反馈放大器106中施加的增益。

在框610中，致动器控制器102确定待用于界定制动结束间隔的制动结束阈值BEMF电压值。制动结束阈值BEMF值还可基于触觉致动器114对满标度驱动信号的响应(即，致动器114响应于满标度驱动信号而产生的BEMF电压)而预先确定。在制动结束间隔期间，在输入放大器104和反馈放大器106中施加制动结束增益。

在框612中，致动器控制器102确定是否正向触觉致动器114施加制动。致动器控制器可基于ERROR信号126确定正由触觉致动器114施加制动。如果ERROR信号126小于零，那么正施加制动。

如果正向触觉致动器114施加制动，那么在框614中，致动器控制器102确定触觉致动器114产生的BEMF电压是否小于制动结束阈值BEMF电压值。如果触觉致动器114产生的BEMF电压不小于制动结束阈值BEMF电压值，那么致动器控制器102不施加制动结束增益。

如果触觉致动器114产生的BEMF电压小于制动结束阈值BEMF电压值，那么在框616中，致动器控制器经由输入放大器104将制动结束增益施加到输入信号118，且经由反馈放大器106施加到BEMF反馈电压信号120。

以上论述打算说明本发明的原理和各种实施例。所属领域的技术人员一旦完全了解以上揭示内容就将了解许多变化和修改。希望将所附权利要求书解释为包含所有此类变化和修改。

Claims

1.一种触觉致动器控制器(102)，其包括：

驱动器输入放大器(104)；

致动器反馈放大器(106)；

致动器驱动器(108)，其经配置以基于所述输入放大器(104)的输出与所述致动器反馈放大器(106)的输出的差而驱动触觉致动器(114)；以及

增益控制器(110)，其经配置以：

确定用于起始所述触觉致动器(114)的运动的提升间隔，所述提升间隔是基于超过所述触觉致动器(114)产生的反电动势BEMF电压的提升阈值BEMF电压值；目

在所述提升间隔期间在所述输入放大器(104)和所述反馈放大器(106)中施加提升增益；

其中所述提升增益高于在所述提升间隔之后施加的增益以维持所述触觉致动器(114)的运动。

2.根据权利要求1所述的致动器控制器(102)，其中所述增益控制器(110)经配置以在所述提升间隔之后基于不超过所述触觉致动器(114)产生的所述BEMF电压的所述提升阈值BEMF电压值而施加低于所述输入放大器(104)和所述反馈放大器(106)中的所述提升增益的增益。

3.根据权利要求1所述的致动器控制器(102)，其中所述提升阈值BEMF电压值是以下各项的乘积：

提供到所述驱动器输入放大器(104)的输入电压值，

由所述触觉致动器(114)基于满标度致动器驱动电压而产生的BEMF电压值；以及

提升阈值缩放因数。

4.根据权利要求3所述的致动器控制器(102)，其中：

所述提升阈值缩放因数是小于1的正值；且

所述提升增益是在所述提升间隔之后施加的所述增益与大于1的提升因数的乘积。

5.根据权利要求1所述的致动器控制器(102)，其中所述增益控制器(110)经配置以：

确定用于停止所述触觉致动器(114)的运动的制动结束间隔，所述制动结束间隔是基于超过所述触觉致动器(114)产生的BEMF电压的制动结束阈值BEMF电压值；目

在所述制动结束间隔期间在所述输入放大器(104)和所述反馈放大器(106)中施加制动结束增益；

其中所述制动结束增益低于在所述制动结束间隔之前施加的所述增益。

6.一种用于驱动触觉致动器(114)的方法，其包括：

识别提升间隔，其中所述触觉致动器(114)产生的反电动势BEMF电压小于提升阈值BEMF电压值，以用于起始所述触觉致动器(114)的运动；(606)

在所述提升间隔期间将输入提升增益施加到驱动器输入信号，且将反馈提升增益施加到所述触觉致动器(114)产生的所述BEMF电压；(608)

在所述提升间隔终止时将减小的输入增益施加到所述驱动器输入信号，且将减小的反馈增益施加到所述触觉致动器(114)产生的所述BEMF电压；

其中所述输入提升增益超过所述减小的输入增益，且所述反馈提升增益超过所述减小的反馈增益。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述输入提升增益是所述减小的输入增益与预定提升常数的乘积；

所述反馈提升增益是所述减小的反馈增益与所述预定提升常数的乘积；且

所述预定提升常数大于1。

8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将所述提升阈值BEMF电压值计算为以下各项的乘积：

提供到所述驱动器输入放大器的输入电压值，

由所述触觉致动器基于满标度致动器驱动电压而产生的BEMF电压值；以及

提升阈值缩放因数。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述提升阈值缩放因数是小于1的正值。

10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括：

识别制动结束间隔，其中制动结束阈值BEMF电压值超过所述触觉致动器(114)产生的BEMF电压，以用于停止所述触觉致动器(114)的运动；(614)以及

在所述制动结束间隔期间将输入制动结束增益施加到所述驱动器输入信号，且将反馈制动结束增益施加到所述触觉致动器(114)产生的所述BEMF电压；(616)

其中所述输入制动结束增益小于在所述制动结束间隔之前施加到所述驱动器输入信号的输入增益，且所述反馈制动结束增益小于在所述制动结束间隔之前施加到所述触觉致动器产生的所述BEMF电压的反馈增益。