CN117597202A - 用于管理混合模式机电致动器驱动的方法和系统 - Google Patents

Abstract

根据本公开的实施例，一种通过换能器驱动系统将回放波形驱动到电磁致动器的方法可以包括：在第一模式下操作换能器驱动系统，其中，电磁致动器在闭环中用回放波形来驱动，以形成包括负阻抗的闭环电压驱动系统；在第二模式下操作换能器驱动系统，其中，机电致动器在开环中用回放波形来驱动；以及操作模式开关，用于转变换能器驱动系统以在第一模式和第二模式之间操作。

Description

用于管理混合模式机电致动器驱动的方法和系统

相关申请

本公开要求2021年6月22日提交的美国临时专利申请号63/213,612的优先权，该申请通过引用整体并入本文。

本公开交叉引用了Stahl等人的题为“驱动器电路(Driver Circuitry)”并转让给Cirrus Logic，Inc的美国专利号10,828,672(以下称为“Stahl专利”)，Taipale的题为“用于检测和管理放大器不稳定性的方法和系统(Methods and Systems for Detecting andManaging Amplifier Instability)”的美国专利公开号2021/0175869(以下称为“Taipale专利申请”)，以及Marchais等人的题为“用于估计电磁换能器的线圈阻抗的方法和系统(Methods and Systems for Estimating Coil Impedance of an ElectromagneticTransducer)”的美国专利公开号2021/017477(以下称为“Marchais专利申请”)。Stahl专利、Taipale专利申请和Marchais专利申请全部通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及在开环操作模式和闭环操作模式两者下使用放大器来驱动触觉振动负载，以及在这两种操作模式之间切换时对发送到放大器的信号的管理。

背景技术

振动触觉换能器，例如诸如线性谐振致动器(LRA)的机电致动器，被广泛用于诸如移动电话的便携式设备中，以向用户生成振动反馈。各种形式的振动触觉反馈对用户的皮肤产生不同的触感，并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可以生成某些期望形式的振动。例如，用户手指上清晰且明显的振动模式可以被用于产生模仿机械按钮点击的感觉。然后，这种明显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可以包括控制器101，其被配置为控制施加到放大器102的信号。放大器102然后可以基于该信号来驱动触觉换能器103。控制器101可以由触发器触发以输出到信号。触发器可以例如包括设备100的屏幕或虚拟按钮上的压力传感器或力传感器。

在各种形式的振动触觉反馈中，持续时间的音调振动(tonal vibration)可以在向设备的用户通知某些预定义事件(诸如来电或消息、紧急警报和定时器提醒等)方面发挥重要作用。为了有效地生成音调振动通知，可能期望以其谐振频率操作触觉致动器。

触觉换能器的谐振频率f₀可以被近似地估计为：

其中，C是弹簧系统的柔度，并且M是等效移动质量，其可以基于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的样本间变化、移动设备组件变化、由老化引起的时间部件变化、由自加热引起的部件变化以及诸如用户抓握设备的各种不同强度的使用条件，触觉换能器的振动谐振可能随时间变化。

图2A示出了被建模为包括质量弹簧系统201的线性系统的线性谐振致动器(LRA)的示例。LRA是非线性部件，根据例如施加的电压电平、操作温度和操作频率，其行为可能不同。然而，在某些条件下，这些部件可以被建模为线性部件。

图2B示出了建模为线性系统的LRA的示例，包括LRA的质量弹簧系统201的电气等效模型。在该示例中，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-磁体系统的DC电阻和线圈电感；以及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)。可以在触觉换能器的端子两端感测端子电压V_T(t)。质量弹簧系统201以速度u(t)移动，速度u(t)可以与反电动势V_BEMF成比例。

诸如LRA的电磁负载可以通过其阻抗Z_LRA来表征，如线圈阻抗Z_coil和机械阻抗Z_mech之和所示：

Z_LRA＝Z_coil+Z_mech(2)

线圈阻抗Z_coil继而可以包括与电感Le串联的直流(DC)电阻Re：

Z_coil＝Re+s*Le(3)

机械阻抗Z_mech可以由三个参数来定义，这三个参数包括：谐振处的电阻R_RES，其表示代表触觉换能器的质量弹簧系统的机械摩擦的电阻；电容C_MES，其表示代表触觉换能器的质量弹簧系统的等效移动质量M的电容；以及电感L_CES，其代表触觉换能器的质量弹簧系统的柔度C。总机械阻抗的电气等效是R_RES、C_MES、L_CES的并联连接。这种并联连接的拉普拉斯变换被描述为：

触觉换能器的谐振频率f₀可以被表示为：

LRA的质量因子Q可以被表示为：

参见公式(6)，该表达式涉及描述电阻Re和R_RES的并联连接的子表达式(即，)，而在图2B中，这些电阻被示为串联连接，这似乎并不直观。然而，这可能是这样的情况，其中驱动电压Ve正在振荡，但随后突然关断并变为零。图2B中所示的电压放大器可以被认为具有低源阻抗，理想情况下为零源阻抗。在这些条件下，当驱动电压Ve变为零时，电压放大器实际上从电路中消失。此时，图2B中电阻Re的最顶部端子和电阻R_RES的最底部端子接地，并且因此电阻Re和R_RES实际上被并联连接，如公式(6)所反映的。

电磁换能器，诸如LRA或微型扬声器，可能响应时间较慢。图3是LRA的示例响应的曲线图，描绘了LRA的示例驱动信号、通过LRA的电流和LRA的反电动势(反EMF)，其中这种反EMF可能与换能器的移动元件(例如，线圈或磁体)的速度成比例。如图3所示，当能量转移到LRA时，反EMF的上升时间可能较慢，并且当存储在LRA中的机械能被释放时，在驱动信号结束之后，反EMF的一些“振铃”可能发生。在触觉LRA的情境下，这种行为特征可能会导致“绵软(mushy)”感觉的点击或脉冲，而不是“干脆(crisp)”的触觉响应。因此，可能希望LRA改为具有类似于图4所示的响应，其中在驱动信号已经结束之后存在最小的振铃，并且可以在触觉情境中提供更“清脆”的触觉响应。因此，可能希望对驱动信号进行处理，使得当将处理后的驱动信号施加到换能器时，换能器的速度或反EMF更接近图4的速度或反EMF。

发明内容

根据本公开的教导，可以减少或消除与在开环模式和负阻抗闭环模式之间适度切换放大器与机电负载耦合时的驱动模式相关联的缺点和问题。

根据本公开的实施例，一种通过换能器驱动系统将回放波形驱动到电磁致动器的方法可以包括在第一模式下操作换能器驱动系统，其中电磁致动器在闭环中用回放波形来驱动以形成包括负阻抗的闭环电压驱动系统，在第二模式下操作换能器驱动系统，其中机电致动器在开环中用回放波形来驱动，以及操作模式开关，用于转变换能器驱动系统以在第一模式和第二模式之间操作。

根据本公开的这些实施例和其他实施例，用于将回放波形驱动到电磁致动器的换能器驱动系统可以包括用于生成回放波形的输出端和被配置为在第一模式下操作换能器驱动系统的控制子系统，其中电磁致动器在闭环中用回放波形来驱动以形成闭环电压驱动系统，其包括负阻抗，在第二模式下操作换能器驱动系统，其中机电致动器在开环中用回放波形来驱动，以及操作模式开关，用于转变换能器驱动系统以在第一模式和第二模式之间操作。

本公开的技术优点对于本领域的普通技术人员来说可以从本文包括的附图、描述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达到。

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，而不是对本公开中阐述的权利要求的限制。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述，可以获得对本实施例及其优点的更完整的理解，其中相同的附图标记指示相同的特征件，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2A和图2B各自示出了本领域已知的被建模为线性系统的线性谐振致动器(LRA)的示例；

图3示出了本领域已知的电磁负载的示例波形的曲线图；

图4示出了根据本公开的实施例的电磁负载的期望示例波形的曲线图；

图5示出了根据本公开的实施例的示例移动设备的选定部件的框图；

图6示出了根据本公开的实施例的示例集成触觉系统的选定部件的框图；

图7示出了根据本公开的实施例的用于改善在开环和负阻抗闭环之间切换操作模式时的换能器动态特性(dynamics)的示例换能器驱动系统；

图8示出了根据本公开的实施例的基于乘法器输入值的图7的示例换能器驱动系统的操作模式的示例分类表；

图9示出了根据本公开的实施例的图7的示例换能器驱动系统的示例电压驱动信号和示例感测端子电压的曲线图，其示出了与触觉事件的触觉术语相关的不同波形子部分；

图10示出了根据本公开的实施例的示例加速度对时间曲线的曲线图，其示出了与改变图7的示例换能器驱动系统的负阻抗反馈校正水平相关联的问题；

图11示出了根据本公开的实施例的图7的示例换能器驱动系统的原始换能器驱动信号和感测端子电压V_T(t)之间的传递函数的示例曲线图；

图12示出了根据本公开的实施例的被建模为线性系统并包括负电阻的线性谐振致动器(LRA)的示例；

图13示出了根据本公开的实施例的图7的示例换能器驱动系统的示例波形，其示出了补偿的益处；

图14示出了根据本公开的实施例的对于图7的示例换能器驱动系统，应用有补偿的示例加速度对时间曲线的曲线图；

图15示出了根据本公开的实施例的与图7的示例换能器驱动系统相关联的示例波形的曲线图，其示出了与在闭环操作模式期间驱动非常大的回放波形相关联的问题；以及

图16示出了根据本公开的实施例的图7的示例换能器驱动系统的示例波形的曲线图，其描绘了在防止削波(clipping)和保持闭环稳态性能之间取得平衡的控制信号的管理。

具体实施方式

以下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将是显而易见的。此外，本领域的一般技术人员将认识到，可以应用各种等效技术来代替或结合以下讨论的实施例，并且所有这些等效物应被视为包含在本公开中。

各种电子设备或智能设备可以具有换能器、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成声输出(诸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的一个或多个扬声器或扩音器，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。

这种扬声器或扩音器可以包括电磁致动器，例如音圈电机，其机械地耦合到柔性隔膜，例如传统的扩音器锥体，或者其机械地耦合到设备的表面，例如移动设备的玻璃屏幕。一些电子设备还可以包括能够生成超声波的声输出换能器，例如用于接近检测型应用和/或机器对机器通信。

许多电子设备可以附加地或可替选地包括更专业的声学输出换能器，例如触觉换能器，其被定制用于为向用户的触觉控制反馈或通知生成振动。附加地或可替选地，电子设备可以具有连接器，例如插座，用于与附件装置的对应连接器进行可移除的匹配连接，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。这种电子设备将因此包括驱动电路，用于用合适的驱动信号驱动主机设备或连接的附件的换能器。对于声学或触觉换能器，驱动信号通常是模拟时变电压信号，例如，时变波形。

图5示出了根据本公开的实施例的示例主机设备502的选定部件的框图。如图5所示，主机设备502可以包括壳体501、控制器503、存储器504、力传感器505、麦克风506、线性谐振致动器507、无线电发射器/接收器508、扬声器510和集成触觉系统512。

壳体501可以包括用于容纳主机设备502的各种部件的任何合适的外壳、壳或其他壳体。壳体501可以由塑料、金属和/或任何其他合适的材料构成。此外，壳体501可以被适配(例如，被设置大小和形状)为使得主机设备502易于在主机设备502的用户的身上运输。因此，主机设备502可以包括但不限于智能电话、平板计算设备、手持计算设备、个人数字助理、笔记本电脑、视频游戏控制器或可以容易地在主机设备502的用户的身上运输的任何其他设备。

控制器503可以被容纳在壳体501内，并且可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、设备或装置，并且可以包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、或被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何其他数字或模拟电路。在一些实施例中，控制器503解释和/或执行程序指令和/或处理存储在控制器503可访问的存储器504和/或其他计算机可读介质中的数据。

存储器504可以被容纳在壳体501内，可以被通信地耦合到控制器503，并且可以包括被配置为将程序指令和/或数据保留一段时间的任何系统、设备或装置(例如，计算机可读介质)。存储器504可以包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡、闪存、磁存储装置、光磁存储装置，或者在主机设备502的电源关断之后保留数据的易失性或非易失性存储器的任何合适的选择和/或阵列。

麦克风506可以至少部分地被容纳在壳体501内，可以被通信地耦合到控制器503，并且可以包括被配置为将在麦克风506处传入的声音转换成可以由控制器503处理的电信号的任何系统、设备或装置，其中使用具有电容的隔膜或膜片将这种声音转换为电信号，该电容基于在隔膜或膜片处接收到的声振动而变化。麦克风506可以包括静电麦克风、电容式麦克风、驻极体麦克风、微机电系统(MEMS)麦克风或任何其他合适的电容麦克风。

无线电发射器/接收器508可以被容纳在壳体501内，可以被通信地耦合到控制器503，并且可以包括被配置为借助于天线而生成和发射射频信号以及接收射频信号并将由这种接收信号携带的信息转换成控制器503可用的形式的任何系统、设备或装置。无线电发射器/接收器508可以被配置为发射和/或接收各种类型的射频信号，包括但不限于蜂窝通信(例如，2G、3G、4G、LTE等)、短程无线通信(例如蓝牙)、商业无线电信号、电视信号、卫星无线电信号(例如，GPS)、无线保真等。

扬声器510可以至少部分地被容纳在壳体501内，或者可以在壳体501外部，可以被通信地耦合到控制器503，并且可以包括被配置为响应于电音频信号输入而产生声音的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，扬声器可以包括动态扩音器，该动态扩音器采用经由柔性悬架机械耦合到刚性框架的轻质隔膜，该柔性悬架约束音圈轴向移动通过圆柱形磁隙。当电信号施加到音圈时，音圈中的电流会产生磁场，使其成为可变电磁铁。线圈和驱动器的磁系统相互作用，生成机械力，致使线圈(以及由此附接的锥体)来回移动，从而在来自放大器的施加电信号的控制下再现声音。

力传感器505可以被容纳在壳体501内，并且可以包括用于感测力、压力或触摸(例如，与人的手指的交互)并且响应于这种力、压力或触摸而生成电信号或电子信号的任何合适的系统、设备或装置。在一些实施例中，这种电信号或电子信号可以是施加到力传感器的力、压力或触摸的大小的函数。在这些实施例和其他实施例中，这种电子信号或电信号可以包括与被给予触觉反馈的输入信号相关联的通用输入/输出信号(GPIO)。力传感器505可以包括但不限于电容位移传感器、电感力传感器(例如，电阻-电感-电容式传感器)、应变仪、压电力传感器、力感测电阻器、压电力传感器、薄膜力传感器或基于量子隧穿复合材料的力传感器。为了在本公开中清楚和说明的目的，本文中使用的术语“力”不仅可以指代力，还指代指示力或类似于力的物理量，诸如但不限于压力和触摸。

线性谐振致动器507可以被容纳在壳体501内，并且可以包括用于产生跨越单个轴的振荡机械力的任何合适的系统、设备或装置。例如，在一些实施例中，线性谐振致动器507可以依靠交流电压来驱动压靠连接到弹簧的移动质量的音圈。当音圈以弹簧的谐振频率被驱动时，线性谐振致动器507可以以可感知的力振动。因此，线性谐振致动器507在特定频率范围内的触觉应用中可能是有用的。虽然，为了清楚和说明的目的，本公开关于线性谐振致动器507的使用进行描述，但是应当理解，可以使用任何其他类型或多种类型的振动致动器(例如，偏心旋转质量致动器)来代替线性谐振致动器507或除了线性谐振致动器507之外还可以使用任何其他类型或多种类型的振动致动器。此外，还应理解，可以使用被布置为产生跨越多个轴的振荡机械力的致动器来代替线性谐振致动器507或除了线性谐振致动器507之外还可以使用任何其他类型或多种类型的振动致动器。如本公开的其他地方所述，基于从集成触觉系统512接收到的信号，线性谐振致动器507可以向主机设备502的用户提供触觉反馈，用于机械按钮替换和电容传感器反馈中的至少一个。

集成触觉系统512可以被容纳在壳体501内，可以被通信地耦合到力传感器505和线性谐振致动器507，或者可以包括被配置为从力传感器505接收指示施加到主机设备502的力(例如，由人手指施加到主机设备502的虚拟按钮的力)的信号并且响应于施加到主机设备502的力而生成用于驱动线性谐振致动器507的电子信号的任何系统、设备或装置。图6中描绘了根据本公开实施例的示例集成触觉系统的细节。

尽管特定的示例部件在上面的图5中被描绘为集成到主机设备502(例如，控制器503、存储器504、力传感器505、麦克风506、无线电发射器/接收器508、扬声器510)，但是根据本公开的主机设备502可以包括上面没有具体列举的一个或多个部件。例如，尽管图5描绘了某些用户界面部件，但是主机设备502除了图5所描绘的那些之外还可以包括一个或多个其他用户界面部件(包括但不限于键盘、触摸屏和显示器)，从而允许用户与主机设备502及其相关联的部件进行交互和/或以其他方式操纵主机设备502及其相关联的部件。

图6示出了根据本公开的实施例的示例集成触觉系统512A的选定部件的框图。在一些实施例中，集成触觉系统512A可被用于实施图5的集成触觉系统512。如图6所示，集成触觉系统512A可以包括数字信号处理器(DSP)602、存储器604和放大器606。

DSP 602可以包括被配置为解释和/或执行程序指令和/或处理数据的任何系统、设备或装置。在一些实施例中，DSP 602可以解释和/或执行程序指令和/或处理存储在存储器604和/或DSP 602可访问的其他计算机可读介质中的数据。

存储器604可以被通信地耦合到DSP 602，并且可以包括被配置为将程序指令和/或数据保留一段时间的任何系统、设备或装置(例如，计算机可读介质)。存储器604可以包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、个人计算机存储卡国际协会(PCMCIA)卡、闪存、磁存储装置、光磁存储装置，或者在主机设备502的电源关断之后保留数据的易失性或非易失性存储器的任何合适的选择和/或阵列。

放大器606可以被电耦合到DSP 602，并且可以包括被配置为增加输入信号V_IN(例如，时变电压或电流)的功率以生成输出信号V_OUT的任何合适的电子系统、设备或装置。例如，放大器606可以使用来自电源(未明确示出)的电功率来增加信号的幅度。放大器606可以包括任何合适的放大器类别，包括但不限于D类放大器。

在操作中，存储器604可以存储一个或多个触觉回放波形。在一些实施例中，一个或多个触觉回放波形中的每个可以将触觉响应a(t)定义为线性谐振致动器(例如，线性谐振致动器507)的作为时间的函数的期望加速度。DSP 602可以被配置为接收指示施加到力传感器505的力的力信号V_SENSE。响应于指示感测到的力的力信号V_SENSE的接收或者独立于这样的接收，DSP 602可以从存储器604检索触觉回放波形，并且处理这种触觉回放波形以确定经处理的触觉回放信号V_IN。在放大器606是D类放大器的实施例中，经处理的触觉回放信号V_IN可以包括脉宽调制信号。响应于接收到指示所感测的力的力信号V_SENSE，DSP602可以致使经处理的触觉回放信号V_IN输出到放大器606，并且放大器606可以放大经处理的触感回放信号V_IN以生成用于驱动线性谐振致动器507的触觉输出信号V_OUT。

在一些实施例中，集成触觉系统512A可以形成在单个集成电路上，从而实现比触觉反馈控制的现有方法更低的延迟。通过提供集成触觉系统512A作为单个单片集成电路的一部分，可以减少或消除集成触觉系统512的各种接口和系统部件之间的延迟。

图3所示的问题可能是由具有高质量因子q的线性谐振致动器507引起的，该线性谐振致动器在线性谐振致动器507的谐振频率f₀处具有阻抗/电阻的尖峰。

图7示出了根据本公开的实施例的用于改善电磁负载701的动态特性的示例换能器驱动系统700。在一些实施例中，系统700可以被集成到包括系统700和电磁负载701的主机设备(例如，主机设备502)。

在操作中，主机设备的系统700的触觉波形生成器722可以生成触觉回放波形V_ref(t)，在不存在由导频音生成器718生成的导频音的情况下，该触觉回放波形V_ref(t)可以等效于包括触觉波形信号或音频信号的原始换能器驱动信号x′(t)。在一些实施例中，原始换能器驱动信号x′(t)可以基于存储的触觉波形和/或由触觉波形生成器722或触觉波形生成器722可访问的存储器(例如，存储器604)中存储的动态生成的触觉波形生成。

原始换能器驱动信号x′(t)可以由组合器726接收，组合器726可以将原始换能器驱动信号x′(t)与来自乘法器715的校正项组合以生成换能器驱动信号x(t)，以便有效地消除电磁负载701的一些或全部线圈阻抗/电阻，如下面更详细描述的。同样如下文所述，通过有效地降低电磁负载701的线圈阻抗/电阻，系统700还可以降低电磁负载701的有效质量因子q，这反过来可以减少上升时间并最小化在原始换能器驱动信号结束之后发生的振铃。尽管图7描绘了通过组合器726施加的虚拟负阻抗/电阻，但在一些实施例中，可以将负阻抗/电阻滤波器施加到原始换能器驱动信号x′(t)以生成换能器驱动信号x(t)，从而实现有效降低电磁负载701的线圈阻抗/电阻的相同或相似效果。这种负阻抗/电阻滤波器的一个示例在Lindemann等人的题为“用于改善换能器动态的方法和系统(Methods and Systemsfor Improving Transducer Dynamics)”并被转让给Cirrus Logic国际半导体有限公司(以下称为“Lindemann专利申请”)的美国专利公开号2020/0306796中进行了描述，并且该申请通过引用整体并入本文。

换能器驱动信号x(t)继而可以由放大器706放大以生成用于驱动电磁负载701的驱动信号V(t)。响应于驱动信号V(t)，电磁负载701的感测端子电压V_T(t)可以由第一模数转换器(ADC)703转换为数字表示。类似地，感测电流I(t)可以由第二ADC 704转换为数字表示。电流I(t)可以在具有耦合到电磁负载701的端子的电阻R_s的分流电阻器702两端被感测。端子电压V_T(t)可以由端子电压感测块707（例如电压表）感测。如图7所示，系统700可以包括阻抗估计器714。阻抗估计器714可以包括任何合适的系统、设备或装置，其被配置为基于感测端子电压V_T(t)、感测电流I(t)和/或电磁负载701的任何其他测量参数来估计电磁负载701电和/或机械阻抗/电阻的一个或多个分量，并且生成一个或多个控制信号。例如，由阻抗估计器714生成的一个控制信号可以包括基于电磁负载701的直流（DC）线圈阻抗/电阻Re的估计生成的负阻抗/电阻Re_neg。作为另一个示例，阻抗估计器714还可以生成电压偏移V_OFFSET和电流偏移I_OFFSET，其可以分别由组合器710和712从感测端子电压V_T(t)和感测电流I(t)中减去，以消除阻抗估计器714可能存在和检测到的任何测量偏移。作为进一步的示例，并且如下面更详细描述的，阻抗估计器714可以生成一个或多个控制信号，用于传达给触觉状态机716。在一些实施例中，触觉状态机716可以以与Marchais专利申请中描述的方式相同或相似的方式操作。

图7中还示出了两个带通滤波器（BPF）730和732，分别对感测端子电压V_T(t)和感测电流I(t)的消除偏移的版本进行滤波。带通滤波器730和732可以从进入阻抗估计器714中滤除驱动信号V(t)的触觉回放内容，从而可能使其偏离对DC线圈阻抗/电阻Re的准确估计。

同样如图7所示，模式开关740可以从触觉状态机716接收关于回放波形的哪个特定部分当前正由触觉波形生成器722输出的状态指示，以及回放波形的信号电平的指示，以及关于回放波形的操作模式的信息——无论是开环操作模式（例如，不施加负阻抗/电阻）还是闭环操作模式（例如，施加负阻抗/电阻）。如下面更详细地描述的，基于上述输入，模式开关740可以控制三个信号电平：（i）回放波形的电平（经由由乘法器750施加的标量值REF_LEVEL）；用于帮助阻抗/电阻估计的导频信号的电平（经由由乘法器760施加的标量值PILOT_LEVEL）；以及负阻抗/电阻反馈校正信号的电平（经由由乘法器715施加的标量值ATTEN）。

图8示出了根据本公开的实施例的基于标量值ATTEN的值的图7的示例换能器驱动系统700的操作模式的示例分类表。如果ATTEN的值为零，则在示例换能器驱动系统700中可能不存在反馈校正，并且因此由乘法器725生成的负阻抗/电阻在对回放波形具有任何影响的情况下实际上不存在于示例换能器驱动系统700中。在这种情况下，换能器驱动系统700可以被分类为“开环”。在另一个极端，如果标量ATTEN的值为1，则示例换能器驱动系统70可以作为负阻抗/电阻系统操作，诸如先前通过引用并入的参考文献中描述的，包括但不限于Stahl专利，Taipale专利申请、Marchais专利申请和Lindemann专利申请。在这种情况下，换能器驱动系统700可以被分类为“闭环”。如果标量ATTEN的值假定为在零和一之间(但不包括零和一)的任何值，则示例换能器驱动系统700可以被分类为“部分闭环”。通常，在诸如但不限于，在闭环和开环之间的转变的情况下，在其电平对于闭环系统来说太大而不能提供足够电压驱动的触觉回放波形的开始期间，或者在电平对于闭环系统来说太大而不能提供足够电压驱动的触觉回放波形的突然结束期间，短暂地利用部分闭环系统。

图9示出了根据本公开的实施例的用于图7的示例换能器驱动系统700的示例原始换能器驱动信号x′(t)和示例感测端子电压V_T(t)的曲线图，其示出了与触觉事件的触觉术语相关的不同波形部分。可以提供术语来对触觉回放波形的部分进行分类。波形的开始可以被称为起动(onset)。对于闭环系统，波形的开始也可以被称为过驱动，因为闭环系统可以提供强得多的原始换能器驱动信号x′(t)，以便使机电负载701的移动质量开始更快地移动。然而，“起动”是可以同样适用于开环和闭环系统两者的术语。触觉回放波形的突然结束可以被称为制动(brake)或抑制(braking)。取决于系统的阻尼常数，机电负载701可以具有在制动后随时间衰减的振铃。通常，触觉产品制造商希望电磁负载701的振铃快速衰减。术语制动意味着存在一些额外的部件以迫使衰减快速发生。这种附加部件可以是构成负阻抗/电阻闭环系统的那些部件(例如，通过引用并入的参考文献中公开的那些系统)，但是这种制动可能不可用于纯开环系统。尽管如此，这里使用的术语制动是指回放波形的一部分，包括突然结束和允许移动质量的振铃完全衰减的此后的短暂时间。在触觉回放波形的这些起动部分和制动部分之间，触觉回放波形可以被认为处于稳态，如图9所示。

为了进一步说明图8中阐述的示例换能器驱动系统700的操作模式的示例分类和图9中阐述的触觉回放波形的部分的示例分类，提供了示例。对于一些回放波形，诸如“点击”，这是一个由触觉回放波形的一个或最多几个周期组成的非常短暂的触觉事件，可能希望在开环模式(ATTEN＝0)下播放触觉回放波形本身的起动和稳态部分。在开环模式下回放触觉回放波形的起动和稳态部分的原因是触觉事件的设计者可能不希望在波形本身期间设计具有稍微短暂不可预测的负阻抗/电阻反馈校正项的波形。也就是说，为了最小化点击事件之后的振铃衰减时间，设计者可能希望将换能器驱动系统700从开环模式切换到负阻抗/电阻闭环模式(ATTEN＝1)。在这种情况下，反馈校正信号从完全关闭(ATTEN＝0)到完全打开(ATTEN＝1)的转变可以经由阶跃函数来实现，或者可能经由从一个电平到下一个电平的非常短的斜坡来实现。这样，点击可以按照设计“播放”，并且比开环驱动放大器允许的更快结束。这种从开环模式到闭环模式的切换可以提供“清脆”的触觉效果(例如，当机电负载701是线性谐振致动器时)，其用作有效的触觉反馈，以向包括电磁负载701的设备的用户指示用户的一些输入(诸如在编写文本消息时点击字母表中的特定字母的示例)已经被确认。

作为另一个示例，包括电磁负载701的设备中的触觉事件的设计者可能希望长时间的“蜂鸣声(buzz)”事件完全在负阻抗/电阻闭环操作模式(ATTEN＝1)内操作。这种对长“蜂鸣声”的渴望的原因是，在闭环模式中，这种事件的起动和制动时间可以被最小化，有助于为用户带来更令人愉悦的触觉效果，并且此外，蜂鸣声的稳态包络水平(通常在电磁负载701的谐振处播放)可以在单元间变化和温度变化中更一致地保持在目标水平。如果在长蜂鸣事件的过程中，来自可能正在按下包括电磁负载701的设备的虚拟按钮的用户的突然输入是借助于点击触觉效果来接收对该突然输入的确认，而在用户输入和点击触觉效果之间没有太多延迟，则可能希望通过快速降低ATTEN的值来中断长蜂鸣，然后在ATTEN＝0的情况下播放开环点击效果，然后将ATTEN增加到1，以便在播放后迅速制动点击，然后返回以完成长蜂鸣声的持续时间。在这些转变的每一次中，必须管理ATTEN的电平。

可能还需要管理回放波形本身的电平以及导频信号(用于闭合控制回路的阻抗/电阻估计所需)，以便向用户提供最无缝的触觉体验。

图10示出了根据本公开的实施例的电磁负载701的移动质量的示例加速度对时间曲线的曲线图，其示出了与(例如，经由ATTEN的值)改变示例换能器驱动系统700的负阻抗反馈校正水平相关联的问题。特别是，图10示出了一个可能与开环模式和闭环模式之间切换相关联的特定问题——不仅起动和制动/抑制期间花费的时间量不同，稳态期间的驱动波形电平也不同。无论出于何种原因，如果有动机在开环和闭环输出驱动之间切换，并且产品设计者希望在稳态下保持(至少)恒定的触觉效果，则产品设计者必须以某种方式补偿图10所示的电平差异的大范围变化。

图11示出了根据本公开的实施例的示例换能器驱动系统700的在控制信号ATTEN的各种电平下原始换能器驱动信号x′(t)和感测端子电压V_T(t)(其可以代表电磁负载701的反EMF)之间的传递函数的示例曲线图。图11通过揭示传递函数V_T(t)/x′(t)作为所施加的负阻抗/电阻反馈校正的电平的函数而变化，说明了上文参考图10讨论的问题可能存在的原因。特别地，当负阻抗/电阻反馈校正的量由乘法器715的ATTEN标量调制时，则感测端子电压V_T(t)与原始换能器驱动信号x′(t)的比率(其可以被称为灵敏度)作为增加ATTEN的函数单调增加。

简要转向图12，图12示出了根据本公开的实施例的被建模为线性系统的电磁负载701的示例，该线性系统包括电气部件1202和机械部件1204的电气模型，并且包括具有与电磁负载701串联插入的负阻抗Re_neg的负电阻电阻器1206。负阻抗Re_neg的添加可以降低质量因子q，因为它有效地从DC电阻Re中减去，从而降低了总的DC电阻抗。

实际上，不存在负电阻器。相反，示例换能器驱动系统700可以被配置为基本上类似于图12所示的电路那样运行，包括与电磁负载701的数学模型串联的负阻抗Re_neg的数学模型。在操作中，如果实际上可以将具有负阻抗Re_neg的物理电阻器与电磁负载701串联，则示例换能器驱动系统700(例如，在组合器726的输出处)实际上可以计算将出现在负阻抗Re_neg和DC电阻Re的接合处的电压V_m，如图12所示。然后可以使用计算的电压V_m来驱动电磁负载701。

本质上，示例换能器驱动系统700可以实施用于电磁负载701的无传感器速度控制反馈回路。反馈回路可以使用电磁负载701的参数的动态估计，并生成反馈(例如，负阻抗Re_neg)以抵消电磁负载701大部分的电阻抗和机械阻抗。在DC线圈电阻Re的情况下，其估计必须非常准确(例如，<1％的误差)，以便示例换能器驱动系统700的反馈回路实现稳定性并实现期望的负阻抗效果。电磁负载701的电阻抗和机械阻抗可以响应于施加到其上的刺激(例如，驱动信号V(t)的幅度和频率)、环境温度条件和/或其他因素而改变。

参见图12，电磁负载701的灵敏度H可以被给出为：

在机械谐振时，Zmech＝res和|Zle|<<Re_neg，因此在谐振H0时的灵敏度可由下式给出：

因此，为了补偿经由控制信号ATTEN改变负阻抗/电阻反馈校正的电平的问题，将被施加到触觉回放波形的比例因子REF_LEVEL可以由下式给出：

因此，比例因子REF_LEVEL可以是补偿项，其可以被用于作为控制信号ATTEN的函数来补偿或归一化输出驱动信号(特别是在谐振时，但这通常是在稳态期间驱动触觉回放波形的频率)。

图13示出了根据本公开的实施例的示例换能器驱动系统700的示例波形，其示出了补偿的益处。特别是，图13的左侧描绘了未通过比例因子REF_LEVEL进行归一化的灵敏度V_T(t)/x′(t)和感测电流I(t)，并且图13的右侧描绘了通过比例因子REF_LEVEL进行归一化的灵敏度V_T(t)/x′(t)和感测电流I(t)。

图14示出了根据本公开的实施例的电磁负载701的移动质量的示例加速度对时间曲线的曲线图，其中应用了对示例换能器驱动系统700的比例因子REF_LEVEL的补偿。与图10相比，图14展示了在触觉回放波形的稳态部分期间，由于应用比例因子REF_LEVEL的补偿，加速度作为控制信号ATTEN的函数的可变性被最小化。然而，图14显示，即使有这样的补偿，振铃也可能在起动期间发生，并且振铃可能在制动期间发生，这取决于ATTEN的值。

图15示出了根据本公开的实施例的与示例换能器驱动系统700相关联的示例波形的曲线图，其示出了与在闭环操作模式期间驱动非常大的回放波形相关联的问题。特别是，图15展示了当负反馈系统完全采用闭环操作模式(例如，ATTEN＝1)时，驱动非常大的原始换能器驱动信号x′(t)时可能出现的问题。在现有的方法中，在起动和制动/抑制时，负阻抗/电阻闭环系统提供原始换能器驱动信号x′(t)的显著放大，以便使电磁负载701的质量在起动时快速移动，并在制动期间快速停止。事实上，这一特征是在触觉振动产品中使用闭环系统的部分动机。然而，当将特别强的回放波形被发送到这样的闭环系统时，发送到放大器的结果信号的起动和制动部分可能超过放大器可以驱动的电压电平。在这种情况下，可能发生信号削波，如在电压CLIP_LEVEL处的感测端子电压V_T(t)削波所示。在触觉振动系统中，削波通常是不希望的，因为从长远来看，它会损坏电磁负载，并在短期内产生不希望的触觉体验。在波形的稳态部分期间，可能不存在削波问题(因为触觉回放波形的设计者在选择回放波形的电平以在不削波的情况下使稳态电平最大化时，可能已经理解了与闭环系统相关联的放大增益)。

在稳态下的闭环电平与起动和制动期间的“一些”闭环益处之间取得平衡的一种方法是动态调节ATTEN电平，特别是在回放波形的起动和制动部分。

图16示出了根据本公开的实施例的示例换能器驱动系统700的示例波形的曲线图，其描绘了在防止削波和保持闭环稳态性能之间取得平衡的控制信号ATTEN的管理。特别地，在起动期间，当闭环系统提供显著的增益时，ATTEN值可以短暂地减小以防止削波。降低到指定为LEVEL_1的电平的量可以是原始换能器驱动信号x′(t)的幅度和放大器706削波的电压电平的函数。ATTEN在起动时降低的速率可以是LEVEL_1和回放波形的频率(例如，最可能是谐振频率，因为它是典型的驱动频率，并且指示放大器输出将以多快到达削波的程度)的函数。ATTEN可以保持在LEVEL_1的时间量，如图16中示为duration_onset，可以是原始换能器驱动信号x′(t)频率的函数。最后，正如ATTEN的短暂降低可以在起动时提供一样，也可能希望在制动时提供另一个短暂降低。在这种情况下，ATTEN可以保持在LEVEL_1的时间量，如图16中示为duration_brake，可以是原始换能器驱动信号x′(t)的频率的函数。

尽管前面讨论了对线性电磁负载的应用，但是应当理解，与所公开的系统和方法相似或相同的系统和系统和方法可以应用于其他线性或非线性系统。

此外，尽管前面设想了使用负阻抗/电阻滤波器来实施LRA的模型，但是在一些实施例中，可以使用LRA的数学等效物来代替模型。

如本文所使用的，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，有还是没有中间元件。

本公开包含本领域普通技术人员将理解的对本文的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。类似地，在适当的情况下，所附权利要求包含本领域普通技术人员将理解的对本文的示例实施例的所有改变、替换、变化、变更和修改。此外，在所附权利要求中，对适应于、被布置为、能够、被配置为、启用为、可操作为或可操作以执行特定功能的装置或系统或者装置或系统的部件的引用包含该装置、系统或部件，无论其或该特定功能是否被激活、开启或解锁，只要该装置、系统或部件被如此适应、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，系统和装置的部件可以被集成或分离。此外，本文公开的系统和装置的操作可以由更多、更少或其他部件来执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，步骤可以以任何合适的顺序执行。如在本文件中所使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合的子集的每个成员。

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施，无论当前是否已知。本公开不应以任何方式局限于附图中所示和上文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。

本文叙述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和发明人对促进本领域所贡献的概念，并且被解释为不限于这些具体叙述的示例和条件。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，可以对其进行各种改变、替换和变更。

尽管上面已经列举了特定的优点，但是各种实施例可以包括列举的优点中的一些、没有或全部。此外，在回顾了前面的附图和描述之后，其他技术优点对于本领域的普通技术人员来说可能变得显而易见。

为了帮助专利局和根据本申请发布的任何专利的任何读者解释所附的权利要求，申请人希望注意，除非在特定权利要求中明确使用了“用于…的装置”或“用于…的步骤”，否则他们无意将任何所附的权利要求或权利要求要素援引35U.S.C.§112(f)。

Claims (34)

1.一种通过换能器驱动系统将回放波形驱动到电磁致动器的方法，所述方法包括：

在第一模式下操作所述换能器驱动系统，其中，所述电磁致动器在闭环中用所述回放波形来驱动，以形成包括负阻抗的闭环电压驱动系统；

在第二模式下操作所述换能器驱动系统，其中，机电致动器在开环中用所述回放波形来驱动；以及

操作模式开关，用于转变所述换能器驱动系统以在所述第一模式和所述第二模式之间操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述闭环电压驱动系统利用添加到所述回放波形的反馈校正信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电磁致动器包括触觉致动器，并且其中，所述回放波形信号在所述第一模式和所述第二模式中的一个或多个期间回放离散的触觉事件。

4.根据权利要求2或3所述的方法，还包括：

当在所述第一模式下操作时，由所述换能器驱动器系统驱动单个触觉事件的第一部分作为所述回放波形；以及

当在所述第二模式下操作时，由所述换能器驱动器系统驱动所述单个触觉事件的第二部分作为所述回放波形。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时，通过所述模式开关将所述反馈校正信号从第一电平斜变到第二电平。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，与所述单个触觉事件相关联的所述回放波形在所述第二模式下完整播放，然后在所述单个触觉事件结束时切换到所述第一模式，以最小化制动时间，并且所述方法还包括通过所述模式开关来控制所述第一模式和所述第二模式之间的转变。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，与所述单个触觉事件相关联的所述回放波形播放其三个阶段中的每个阶段，即起动阶段、稳态阶段和制动阶段，并且所述方法还包括利用所述模式开关在所述三个阶段的阶段边界处控制所述第一模式和所述第二模式之间的转变。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，还包括当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时，通过所述模式开关将所述回放波形从一个电平斜变到另一个电平。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述回放波形的电平是所述反馈校正信号的函数，使得对于所述反馈校正信号的任何电平，被驱动到所述机电致动器的所述回放波形的电平在稳态下保持恒定。

10.根据权利要求2-9中任一项所述的方法，还包括，在所述第一模式期间：

通过所述模式开关在所述回放波形的短暂起动部分期间使所述反馈校正信号电平斜降，以避免驱动到所述机电致动器的所述回放信号的削波；以及

通过所述模式开关在所述回放波形的短暂起动部分之后使所述反馈校正信号电平斜升，使得在所述回放波形的稳态部分期间达到期望的信号电平。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述模式开关斜变到的所述反馈校正信号电平的最小电平是所述回放波形的电平和不发生削波的所述回放波形的最大电平的函数。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述模式开关斜变到的所述反馈校正信号的最小电平是所述回放波形的电平和用户感知到不期望的机电致动器效应的所述回放波的最大电平的函数。

13.根据权利要求2-12中任一项所述的方法，还包括将导频信号注入到所述回放波形中，用于控制所述反馈校正信号的电平。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时，通过所述模式开关将所述导频信号电平从一个电平斜变到另一个电平。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导频信号电平是所述反馈校正信号的电平的函数，使得对于所述反馈校正信号的任何电平，驱动到所述机电致动器的所述导频信号电平在稳态下保持恒定。

16.根据权利要求14或15所述的方法，还包括在所述第二模式期间禁用所述导频信号。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，还包括基于对所述机电致动器的阻抗的估计来调制所述反馈校正信号。

18.一种用于将回放波形驱动到电磁致动器的换能器驱动系统，所述换能器驱动系统包括：

输出端，其用于生成回放波形；以及

控制子系统，其被配置为：

在第一模式下操作所述换能器驱动系统，其中，所述电磁致动器在闭环中用所述回放波形来驱动，以形成包括负阻抗的闭环电压驱动系统；

在第二模式下操作所述换能器驱动系统，其中，机电致动器在开环中用所述回放波形来驱动；以及

操作模式开关，用于转变所述换能器驱动系统以在所述第一模式和所述第二模式之间操作。

19.根据权利要求18所述的换能器驱动系统，其中，所述闭环电压驱动系统利用添加到所述回放波形的反馈校正信号。

20.根据权利要求19所述的换能器驱动系统，其中，所述电磁致动器包括触觉致动器，并且其中，所述回放波形信号在所述第一模式和所述第二模式中的一个或多个期间回放离散的触觉事件。

21.根据权利要求19或20所述的换能器驱动系统，其中，所述换能器驱动系统还被配置为：

当在所述第一模式下操作时，驱动单个触觉事件的第一部分作为所述回放波形；以及

当在所述第二模式下操作时，驱动所述单个触觉事件的第二部分作为所述回放波形。

22.根据权利要求21所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关还被配置为当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时，将所述反馈校正信号从第一电平斜变到第二电平。

23.根据权利要求22所述的换能器驱动系统，其中，与所述单个触觉事件相关联的所述回放波形在所述第二模式下整体播放，然后在所述单个触觉事件结束时切换到所述第一模式以最小化制动时间，并且其中，所述模式开关还被配置为控制所述第一模式和所述第二模式之间的转变。

24.根据权利要求22所述的换能器驱动系统，其中，与所述单个触觉事件相关联的所述回放波形播放其三个阶段中的每个阶段，即起动阶段、稳态阶段和制动阶段，并且其中，所述模式开关还被配置为在所述三个阶段的阶段边界处控制所述第一模式和所述第二模式之间的转变。

25.根据权利要求22-24中任一项所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关还被配置为当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时将所述回放波形从一个电平斜变到另一个电平。

26.根据权利要求25所述的换能器驱动系统，其中，所述回放波形的电平是所述反馈校正信号的函数，使得对于所述反馈校正信号的任何电平，驱动到所述机电致动器的所述回放波形的电平在稳态下保持恒定。

27.根据权利要求19-26中任一项所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关还被配置为在所述第一模式期间：

在所述回放波形的短暂起动部分期间斜降所述反馈校正信号电平，以避免驱动到所述机电致动器的所述回放信号的削波；以及

在所述回放波形的短暂起动部分之后斜升所述反馈校正信号电平，使得在所述回放波形的稳态部分期间达到期望的信号电平。

28.根据权利要求27所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关斜变到的所述反馈校正信号电平的最小电平是所述回放波形的电平和不发生削波的所述回放波形的最大电平的函数。

29.根据权利要求27所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关斜变到的所述反馈校正信号的最小电平是所述回放波形的电平和用户感知到不期望的机电致动器效应的所述回放波形的最大电平的函数。

30.根据权利要求19-29中任一项所述的换能器驱动系统，还包括导频音发生器，其被配置为将导频信号注入到所述回放波形中，用于控制所述反馈校正信号的电平。

31.根据权利要求30所述的换能器驱动系统，其中，所述模式开关还被配置为当在所述第一模式和所述第二模式之间转变时，将所述导频信号电平从一个电平斜变到另一个电平。

32.根据权利要求31所述的换能器驱动系统，其中，所述导频信号电平是所述反馈校正信号的电平的函数，使得对于所述反馈校正信号的任何电平，驱动到所述机电致动器的所述导频信号电平在稳态下保持恒定。

33.根据权利要求31或32所述的换能器驱动系统，还包括在所述第二模式期间禁止所述导频音发生器生成所述导频信号。

34.根据权利要求30-33中任一项所述的换能器驱动系统，其中，所述换能器驱动系统还被配置为基于对所述机电致动器的阻抗的估计来调制所述反馈校正信号。