CN114341959A - 最小化换能器稳定时间 - Google Patents

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CN114341959A CN202080045250.0A CN202080045250A CN114341959A CN 114341959 A CN114341959 A CN 114341959A CN 202080045250 A CN202080045250 A CN 202080045250A CN 114341959 A CN114341959 A CN 114341959A
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伊曼纽尔·马查斯
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Abstract

一种用于最小化电磁负载的移动质量的稳定的方法可以包括基于与电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量来确定移动质量的速度的极性和幅度，以及基于速度的极性和幅度，生成制动信号以施加到与速度的极性相反的移动质量。

Description

最小化换能器稳定时间
相关申请
本公开要求于2019年12月4日提交的美国非临时专利申请序列号第16/702929号的优先权，该申请要求于2019年6月20日提交的美国临时专利申请序列号第62/864086号的优先权，每个申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开一般涉及通过使用主动制动，在回放波形被施加到换能器之后，最小化换能器的稳定时间。
背景技术
振动-触觉换能器(例如线性共振致动器(LRA))被广泛用于便携式设备(例如移动电话)以向用户产生振动反馈。各种形式的振动-触觉反馈给用户的皮肤造成不同的触摸感觉，并且可能在现代设备的人机交互中发挥越来越大的作用。
LRA可以被建模为质量弹簧机电振动系统。当用适当设计或控制的驱动信号驱动时，LRA可能会产生某些所需的振动形式。例如，用户的手指上尖锐而清晰的振动模式可用于产生模仿机械按钮点击的感觉。然后这种清晰的振动可以用作虚拟开关来代替机械按钮。
图1示出了设备100中的振动-触觉系统的示例。设备100可以包括被配置为控制施加到放大器102的信号的控制器101。放大器102然后可以基于该信号驱动振动致动器(例如，触觉换能器)103。控制器101可由触发器触发以输出到信号。该触发器可以例如包括设备100的屏幕或虚拟按钮上的压力或力传感器。
在各种形式的振动-触觉反馈中，持续时间的音调振动可能在通知设备用户某些预定义事件方面(例如来电或消息、紧急警报和定时器警告等)发挥重要作用。为了有效地生成音调振动通知，可能需要以其共振频率操作触觉致动器。
触觉换能器的共振频率f0可以近似估计为：
Figure BDA0003421344390000021
其中C是弹簧系统的柔度，并且M是等效移动质量，其可以根据触觉换能器中的实际移动部分和持有触觉换能器的便携式设备的质量来确定。
由于单个触觉换能器中的样本到样本的变化、移动设备组件的变化、由老化引起的时间分量的变化以及使用条件(例如用户握持设备的各种不同强度)，触觉换能器的振动共振可能会不时地变化。
图2示出了被建模为线性系统的线性共振致动器(LRA)的示例。LRA是非线性组件，其行为可能根据例如所施加的电压水平、工作温度和工作频率而有所不同。然而，在某些条件下这些组件可以被建模为线性组件。在本示例中，LRA被建模为具有电气和机械元件的三阶系统。特别地，Re和Le分别是线圈-磁铁系统的DC电阻和线圈电感；并且Bl是线圈的磁力因子。驱动放大器输出具有输出阻抗Ro的电压波形V(t)。端电压VT(t)可以通过触觉换能器的端子进行感应。质量弹簧系统201以速度u(t)移动。
通常，移动设备中使用的LRA被设计为具有100Hz-250Hz范围内的共振频率f0。在大多数情况下，这种共振特性意味着相对较大的加速度上升时间。此外，在LRA运动后，降低输入电压的幅度不会立即降低LRA的输出幅度。相反，LRA可能表现出回放后的稳定，这可能会降低用户触觉的“脆度”。
这种稳定时间还可以通过限制刺激产生的时间和限制传递的刺激的锐度来限制触觉效果的设计。这种限制导致有必要开发精确控制稳定时间的方法，通常称为主动制动。几种现有方法以开环方式执行主动制动。虽然也有一些闭环方法可用，但此类方法通常需要大量内存和处理资源，并且对噪声和延迟很敏感。
发明内容
根据本公开的教导，可以减少或消除与用于最小化换能器稳定时间的现有方法相关联的缺点和问题。
根据本公开的实施例，一种用于最小化电磁负载的移动质量的稳定的方法可以包括：基于与电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量来确定移动质量的速度的极性和幅度；以及基于速度的极性和幅度生成制动信号以施加到与速度的极性相反的移动质量。
根据本公开的这些实施例和其他实施例，一种用于最小化电磁负载的移动质量的稳定的系统可以包括：一个或多个输入端，用于接收与电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量；以及处理子系统，被配置为基于与电磁负载相关的一个或多个参数的实时测量来确定移动质量的速度的极性和幅度；以及基于速度的极性和幅度生成制动信号以施加到与速度的极性相反的移动质量。
本公开的技术优势对于本领域的普通技术人员来说，可以从本文包括的附图、说明书和权利要求中显而易见。实施例的目的和优点将至少通过权利要求中特别指出的元件、特征和组合来实现和获得。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都是示例和解释性的，并不限制本公开中阐述的权利要求。
附图说明
通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整的理解，其中类似的附图标记表示类似的特征，并且其中：
图1示出了本领域已知的设备中的振动-触觉系统的示例；
图2示出了本领域已知的被建模为线性系统的线性共振致动器(LRA)的示例；
图3示出了根据本公开的实施例的包括使用主机设备的电磁负载的力感测的示例主机设备的选定组件；以及
图4示出了根据本公开的实施例的描绘估算的换能器反电动势对时间和基于估算的换能器反电动势随时间的主动制动信号的曲线图。
具体实施方式
下面的描述阐述了根据本公开的示例实施例。进一步的示例实施例和实施方式对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。此外，本领域普通技术人员将认识到，可以应用各种等效技术来代替或结合下面讨论的实施例，并且所有这些等效技术应当被视为包含在本公开中。
各种电子设备或智能设备可具有换能器、扬声器和声输出换能器，例如用于将合适的电驱动信号转换为声输出(例如声压波或机械振动)的任何换能器。例如，许多电子设备可以包括用于声音生成(例如，用于音频内容的回放、语音通信和/或用于提供可听通知)的一个或多个扬声器或扩音器。
这种扬声器或扩音器可以包括电磁致动器(例如音圈电机)，其机械耦合至柔性振膜(例如传统扩音器锥体)，或其机械耦合至设备的表面(例如移动设备的玻璃屏幕)。一些电子设备还可以包括能够产生超声波的声输出换能器，例如用于接近检测类型应用和/或机器对机器通信。
许多电子设备可以附加地或可替代地包括更专门的声输出换能器，例如，触觉换能器，其被定制用于产生给用户的触觉控制反馈或通知的振动。附加地或可替选地，电子设备可以具有连接器(例如插座)，用于与附件装置的相应连接器进行可拆卸的配合连接，并且可以被布置为向连接器提供驱动信号，以便在连接时驱动附件装置的上述一种或多种类型的换能器。因此这样的电子设备将包括用于用合适的驱动信号驱动主机设备或连接附件的换能器的驱动电路。对于声换能器或触觉换能器，驱动信号通常可以是模拟时变电压信号，例如，时变波形。
图3示出了根据本公开的实施例的包括使用主机设备300的电磁负载301的力感测的示例主机设备300的选定组件。主机设备300可以包括但不限于移动设备、家庭应用、车辆和/或包括人机界面的任何其他系统、设备或装置。电磁负载301可以包括具有复阻抗的任何合适的负载，包括但不限于触觉换能器、扬声器、微型扬声器、压电换能器或其他合适的换能器。
在操作中，主机设备300的处理子系统305的信号发生器324可以生成信号x(t)(在一些实施例中，其可以是波形信号，例如触觉波形信号或音频信号)。信号x(t)可以基于由信号发生器324接收的期望回放波形来生成。信号x(t)可以继而由放大器306放大以产生用于驱动电磁负载301的驱动信号V(t)。响应于驱动信号V(t)，电磁负载301的感测端电压VT(t)可以由第一模数转换器(ADC)303转换为数字表示。类似地，感测电流I(t)可以由第二ADC 304转换为数字表示。电流I(t)可以通过具有耦合到电磁负载301的端子的电阻Rs的分流电阻器302被感测。端电压VT(t)可由端电压感测块307(例如电压表)来感测。
如图3所示，处理子系统305可以包括反EMF估算块308，其可以估算反EMF电压VB(t)。通常，反EMF电压VB(t)可能不能从触觉换能器外部直接测量。然而，在触觉换能器的端子处测量的端电压VT(t)可能通过下式与VB(t)有关：
Figure BDA0003421344390000051
其中参数的定义如参考图2所描述的。因此，反EMF电压VB(t)可以根据公式(2)估算，其可以重新排列为：
Figure BDA0003421344390000052
因为反EMF电压VB(t)可以与电磁负载301的移动质量的速度成比例，所以反EMF电压VB(t)可以进而提供该速度的估算。
在一些实施例中，反EMF估算块308可以被实现为具有成比例且并行的差分路径的数字滤波器。DC电阻Re和电感Le的估算值可能不需要精确(例如，大约10％的误差之内是可以接受的)，因此，来自离线校准或来自数据表规范的固定值就足够了。作为示例，在一些实施例中，反EMF估算块308可以根据于2019年9月3日提交的美国专利申请序列号16/559238(其全部内容通过引用并入本文)的教导来确定估算的反EMF电压VB(t)。
基于这种估算的反EMF电压VB(t)，处理子系统305的制动子系统310可以生成制动信号xBRK(t)，以便最小化电磁负载301的回放后稳定时间，如下文更详细地描述。信号发生器324可以接收制动信号xBRK(t)并将其与回放波形相加以生成传送到放大器306的信号x(t)。
通常，制动子系统310可以在回放波形结束时，生成制动信号xBRK(t)作为分段方波信号，其中每个方波段中的幅度由以下式给出：
Figure BDA0003421344390000053
(当VB(t)＝0时) (4)
其中KBRK是任意正增益常数，其可以针对每种型号或类型的电磁负载301确定。
因此，制动子系统310可以在电磁负载301的移动质量的速度的零交叉处反转制动信号的极性，这可以由估算的反EMF电压VB(t)的零交叉给出。此外，制动子系统310可以针对每段制动信号xBRK(t)，基于在估算的反EMF电压VB(t)的先前零交叉处相对于时间的导数自适应地确定该段的幅度。因此，制动子系统310可以使制动信号xBRK(t)的幅度随着电磁负载301的移动质量的减速而减小，以防止在相反方向上的再加速。在估算的反EMF电压VB(t)的前一个零交叉处相对于时间的导数可以提供估算的反EMF电压VB(t)的瞬时振荡幅度的指示，并且因此可以提供幅度标量以适应制动信号xBRK(t)的幅度ABRK。
图4示出了根据本公开的实施例的描绘估算的反EMF电压VB(t)和基于估算的反EMF电压VB(t)生成的制动信号xBRK(t)的曲线图。如图4所示，在时间t＝0处，对应于电磁负载301的回放信号的结束(以及制动阶段的开始)，制动子系统310可以开始生成制动信号xBRK(t)，其幅度与根据上述公式(4)在估算的反EMF电压VB(t)的前一个零交叉处相对于估算的反EMF电压VB(t)的时间的导数成比例且极性相反。在估算的反EMF电压VB(t)的后续零交叉处，制动子系统310可以根据上述公式(4)自适应地修改制动信号xBRK(t)的幅度ABRK，该零交叉用于同步幅度ABRK的修改。制动子系统310可以生成制动信号xBRK(t)并调整其幅度，直到估算的反EMF电压VB(t)、其在估算的反EMF电压VB(t)的零交叉处相对于时间的导数或某个其他参数指示电磁负载301已经稳定到可接受的量。
在一些实施例中，与上面讨论的相比，制动子系统310可以简化制动信号xBRK(t)的计算和生成。例如，如果电磁负载301的线圈电感Le与其DC电阻Re相比非常小，则上面的公式(3)可以近似为：
VB(t)＝VT(t)-Re·I(t) (5)
制动子系统310对估算的反EMF电压VB(t)使用这种近似可以简化计算，或者可以通过消除计算
Figure BDA0003421344390000061
的需要来减少处理资源需求。
此外，如果DC电阻Re不可用，如果VT(t)＝0，则估算的反EMF电压VB(t)的极性和导数仍然可以被确定，这进一步将上面的公式(4)简化为：
VB(t)≈-Re·I(t)∝-I(t) (5)
在这种近似下，估算的反EMF电压VB(t)与电流I(t)同相。当电磁负载301的移动质量处于非静止状态并且驱动信号V(t)被设置为零时，电磁负载301的质量可以以指数衰减幅度在其共振频率f0处振荡。在这种状态下，电磁负载301也可以被认为处于共振，这意味着LRA中质量的残余运动可以引发与质量的振荡速度同相的电流I(t)。因此，在这种情况下，制动子系统310可以通过单独测量电流I(t)、基于测量的电流I(t)确定电磁负载301的移动质量的速度的方向和大小，并生成与测量的电流I(t)指示的这种运动相反的制动信号xBRK(t)，从而有效地最小化稳定时间。
尽管前述内容设想估算反EMF电压VB(t)的测量和制动信号xBRK(t)的施加可以同时发生，但在一些实施例中，估算反EMF电压VB(t)的测量和制动信号xBRK(t)的施加可以在不同的时间发生。在这样的其他实施例中，分段的感测和制动周期可以导致期望的稳定时间最小化。
此外，在一些实施例中，制动子系统310可以适当地限制制动信号xBRK(t)，以便不超过与电磁负载301相关联的参数的允许操作范围(例如，以确保施加到电磁负载301的最大电压和最大电流不超过电磁负载301的最大额定值)。
此外，尽管前述设想制动子系统310生成分段方波制动信号xBRK(t)，但在一些实施例中，制动子系统310可以生成多段制动信号xBRK(t)以具有任何合适的波形形状，只要其波形形状和幅度用于降低电磁负载301的移动质量的速度。
在这些和其他实施例中，制动子系统310还可以被配置为补偿可能导致测量不准确的不期望的影响。例如，在一些实施例中，当驱动信号V(t)被设置为零时，制动子系统310可以通过测量估算的反EMF电压VB(t)来确定估算的反EMF电压VB(t)的测量偏移，并且向其估算的反EMF电压VB(t)的测量值添加补偿因子以抵消这种偏移。作为另一个示例，在这些和其他实施例中，制动子系统310可以通过对估算的反EMF电压VB(t)的测量值应用滤波(例如，低通滤波)来补偿估算的反EMF电压VB(t)的测量中的噪声。
如本文所用，当两个或更多个元件被称为彼此“耦合”时，该术语表示这两个或更多个元件处于电子通信或机械通信中，视情况而定，无论是间接连接还是直接连接，有或没有中间元件。
本公开涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求涵盖本领域普通技术人员将理解的对本文示例实施例的所有更改、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中，对装置或系统或装置或系统的组件的引用适用于、布置为、能够、配置为、启用为、可操作为或操作为执行特定功能，包括该装置、系统或组件，无论其或该特定功能是否被激活，打开或解锁，只要该装置、系统或组件是如此适用、布置、能够、配置、启用、可操作或操作。因此，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、装置和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和装置的组件可以集成或分离。此外，本文所公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他组件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，可以以任何合适的顺序执行步骤。如在本申请中使用的，“每个”指集合的每个成员或集合子集的每个成员。
尽管示例性实施例在附图中示出并在下面描述，但是本公开的原理可以使用任何数量的技术来实现，无论当前是否已知。本公开不应以任何方式限于附图中所示和在上文中所述的示例性实施方式和技术。
除非另有特别说明，否则附图中描绘的物品不一定按比例绘制。
本文列举的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解本公开以及发明人为推进本领域所贡献的概念，并被解释为不限于这些具体列举的示例和条件。尽管已经详细描述了本公开的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种更改、替换和变更。
尽管上面列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括一些、没有或全部列举的优点。此外，在阅读了前述附图和描述之后，其他技术优势对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
为了帮助专利局和就本申请发布的任何专利的任何读者解释所附权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了“用于……的手段”或“用于……的步骤”的词语，否则他们不打算任何所附的权利要求或权利要求要素引用35U.S.C.§112(f)。

Claims (22)

1.一种用于最小化电磁负载的移动质量的稳定的方法，包括：
基于与所述电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量来确定所述移动质量的速度的极性和幅度；以及
基于所述速度的极性和幅度，生成制动信号以施加到与所述速度的极性相反的移动质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，生成制动信号包括随时间调整所述制动信号的极性和幅度。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括基于在所述速度的幅度相对于时间过零时来同步所述制动信号的极性和幅度的调整。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，生成制动信号包括将所述制动信号的幅度缩放到所述速度的幅度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数包括与所述电磁负载相关联的反电动势。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，生成制动信号包括在所述反电动势作为时间的函数近似为零时，将所述制动信号的幅度缩放为相对于所述反电动势的时间的导数。
7.根据权利要求5所述的方法，其中：
生成制动信号包括随时间调整所述制动信号的极性和幅度；以及
还包括基于在所述反电动势的幅度作为时间的函数过零时来同步所述制动信号的极性和幅度的调整。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数包括与所述电磁负载相关联的测量电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数还包括与所述电磁负载相关联的测量电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数还包括相关联的直流线圈电阻反电动势。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电磁负载包括触觉换能器。
12.一种用于最小化电磁负载的移动质量的稳定的系统，包括：
一个或多个输入端，用于接收与所述电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量；以及
处理子系统，被配置为：
基于与所述电磁负载相关联的一个或多个参数的实时测量来确定所述移动质量的速度的极性和幅度；以及
基于所述速度的极性和幅度，生成制动信号以施加到与所述速度的极性相反的移动质量。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，生成制动信号包括随时间调整所述制动信号的极性和幅度。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理子系统还被配置为基于在所述速度的幅度相对于时间过零时来同步所述制动信号的极性和幅度的调整。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，生成制动信号包括将所述制动信号的幅度缩放到所述速度的幅度。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数包括与所述电磁负载相关联的反电动势。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，生成制动信号包括在所述反电动势作为时间的函数近似为零时，将所述制动信号的幅度缩放为相对于所述反电动势的时间的导数。
18.根据权利要求16所述的系统，其中：
生成制动信号包括随时间调整所述制动信号的极性和幅度；并且
其中，所述处理子系统还被配置为基于在所述反电动势的幅度作为时间的函数过零时来同步所述制动信号的极性和幅度的调整。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数包括与所述电磁负载相关联的测量电流。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数还包括与所述电磁负载相关联的测量电压。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，与所述电磁负载相关联的一个或多个参数还包括相关联的直流线圈电阻反电动势。
22.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电磁负载包括触觉换能器。
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