智能线性谐振执行器控制的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种触觉控制系统，所述触觉控制系统可包括驱动器以生成连续驱动信号和将所述驱动信号输出至电气信号线上的机械系统，其中所述连续驱动信号造成所述机械系统振动以产生触觉效果。所述触觉控制系统还可包括耦合至所述电气信号线的监测器，以捕获由所述电气信号线中的所述机械系统所生成的反电动势（BEMF）信号，以测量BEMF信号属性，和基于所述BEMF信号属性将调节信号传送至所述驱动器。所述驱动器还经配置以根据所述调节信号调节所述连续驱动信号。
【专利说明】智能线性谐振执行器控制
[0001]发明背景
[0002]本申请得益于于2011年3月9日提交的临时申请S.N.61/450, 824的优先权。
[0003]本发明涉及生成触觉效果。
[0004]触觉是指触摸的感觉。在电子装置中，触觉涉及向用户提供触摸感官反馈。纳入触觉的电子装置可包括手机、PDA、游戏机等。用户通过用户界面(诸如，触摸屏)与电子装置交互；然而，在没有一些类型的反馈的情况下，用户通常不知道用户的所需功能是否是否或是否由电子装置执行。因此，电子装置可以振动触觉感知(例如，“模拟点击”)的形式生成音频或触觉反馈以提醒用户电子装置的性能。换句话说，触觉反馈使用户知道电子装置是怎么回事。在游戏电子装置中，例如，触觉可提供根据游戏互动的感官刺激。
[0005]触觉反馈可通过机电系统生成。电气系统产生驱动信号，该驱动信号随后将造成机械系统产生触觉效果。例如，纳入移动质量块的执行器可用于生成触觉效果。线性谐振执行器(LRA)为一种此类执行器的实例，其中移动质量块为弹簧加载。关于利用LRA的优化和高效触觉生成，弹簧加载质量块应以其机械谐振频率驱动，该机械谐振频率为弹簧加载质量块的固有振动频率。另外，触觉效果的“量”可由执行器驱动信号的振幅控制。
[0006]BEMF(反电动势)可用于以机械谐振频率和所需振幅来优化地编程驱动信号。BEMF为电信号，该电信号通过永久磁体(其具有质量块)相对于固定线缠绕线圈的移动而感应成电机的电连接。由于质量块将以固有谐振频率振动，所以感应的BEMF信号也将以这个谐振频率传播。
[0007]在一些常规系统中，单独线圈用于捕获BEMF。BEMF线圈(并非是质量块励磁的驱动线圈的部分)捕获质量块所产生的BEMF。然而，这些系统需要额外的指定部件，诸如特别地用于捕获BEMF的BEMF线圈，其导致更大的电子装置。一些其它常规系统使用断续的驱动信号来捕获BEMF信号。这些系统的驱动信号在预定时间停止，所以在这些时间中不存在应用于电机的电流。然后，BEMF在那些预定时间从驱动信号线圈可捕获。因此，应用驱动信号和测量BEMF信号之间存在恒定开关。恒定开关导致更少的能量应用于机械系统，从而降低整体触觉效果的质量。预定时间也限制了驱动电子设备可容忍的频率的范围。
[0008]因此，发明人认识到现有领域对自适应触觉效果生成的需求，自适应触觉效果生成在无额外部件的需要的情况下以连续驱动信号应用可捕获BEMF信号。
[0009]附图简述
[0010]图1 (a)为根据本发明的一个实施例的智能LRA驱动系统的简化框图。
[0011]图1 (b)为根据本发明的一个实施例的电磁电机的简化图。
[0012]图1 (C)为根据本发明的一个实施例的电机的电气模型。
[0013]图2为根据本发明的一个实施例的生成触觉效果的简化工艺流程方法。
[0014]图3为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器的简化框图。
[0015]图4为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器的简化电路。
[0016]图5为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器的简化电路。
[0017]图6为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器的简化电路。[0018]图7为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器的简化电路。
[0019]图8示出了时序图。
[0020]图9 (a)示出了时序图。
[0021]图9(b)示出了时序图。
[0022]图10示出了时序图。
[0023]图11 (a)为根据本发明的一个实施例的双模驱动器的简化电路图。
[0024]图11 (b)为根据本发明的一个实施例的双模驱动器的简化电路图。
[0025]图11 (c)为根据本发明的一个实施例的双模驱动器的简化电路图。
[0026]图12为根据本发明的一个实施例的双模驱动器的简化电路图。
[0027]图13示出了时序图。
[0028]图14为根据本发明的一个实施例的智能LRA驱动器输入系统的简化图。
[0029]图15示出了根据本发明的实施例的驱动信号波形。
[0030]图16示出了根据本发明的实施例的驱动信号波形。
[0031]图17示出了根据本发明的实施例的驱动信号波形。
[0032]图18为根据本发明的一个实施例的智能LRA驱动系统的简化框图。
[0033]图19 (a)为根据本发明的另一个实施例的LRA驱动系统的简化框图。
[0034]图19 (b)和(C)为示出具有和不具有分流电容器的LRA驱动系统的AC传递功能的图。
[0035]图20为根据本发明的另一个实施例的BEMF监测器系统的简化框图。
[0036]图21示出了根据本发明的一个实施例的方法。
【具体实施方式】
[0037]本发明的实施例提供了一种触觉控制系统，其包括对输出引脚生成连续驱动系统的驱动器。触觉控制系统还包括耦合至输出引脚的监测器，以捕获其上生成的反电动势(BEMF)信号、测量BEMF信号振幅，和基于BEMF信号属性将调节信号传送至驱动器。驱动器经配置以根据调节信号调节连续驱动信号生成。
[0038]本发明的实施例还提供了一种生成触觉效果的方法。该方法可包括:生成连续驱动信号；将连续驱动信号经由信号线应用于执行器，其中连续驱动信号使执行器振动以生成触觉效果；在应用连续驱动信号的过程中捕获信号线上由执行器生成的BEMF信号；测量BEMF信号的BEMF信号性质；和基于测量的BEMF信号性质调节相应的连续驱动信号性质。
[0039]本发明的实施例进一步提供了一种电子装置，该电子装置包括基于所需的触觉效果而生成指令的触觉控制器，和接收指令并生成连续驱动信号的驱动器。电子装置还包括耦合至驱动器的线性谐振执行器，以经由信号线从驱动器接收连续驱动信号并使质量块在线性谐振执行器内振动，从而产生所需的触觉效果。监测器捕获信号线上由振动所产生的BEMF信号以测量BEMF信号性质。驱动器经配置以基于所测量的BEMF信号性质调节连续驱动信号的生成。
[0040]本发明提供了一种应用连续驱动信号的触觉生成的智能线性谐振执行器(LRA)驱动方案。连续驱动信号应用于电机，该电机机械地生成所需的触觉效果。这给驱动方案还允许在应用连续驱动信号时监测电机所感应的BEMF信号。换句话说，驱动信号应用和BEMF监测同时发生。电机振动的谐振频率和/或振幅可根据BEMF信号测量。基于测量结果，连续的输出驱动信号可相应地调节。
[0041]图1 (a)为根据本发明的一个实施例的智能LRA驱动系统100的简化框图。系统100可包括触觉控制器110、连续LRA驱动器120和BEMF监测器130。连续LRA驱动器120可经由信号线耦合至电机。连续LRA驱动器120可包括电机耦合其上的输出引脚。信号线可为一对电气线路，并且输出引脚可包括差分信号的一对引脚。BEMF监测器130也可耦合至信号线。
[0042]根据触觉效果要求，触觉控制器110可生成输出至连续LRA驱动器120的相应控制信号。例如，用户可选择触摸屏上的图标，并且触觉控制器110可生成相应于触觉效果的控制信号，诸如，对用户关于他/她的选择的反馈刺激的点击振动)。触觉控制器110可提供多种不同的触觉效果。连续LRA驱动器120可从触觉控制器110接收控制信号并且可相应地生成驱动信号。驱动信号可为连续的。此外，驱动信号可改变土 A，其中A为驱动信号的振幅。
[0043]连续LRA驱动器120可将所生成的驱动信号输出至电机，其中驱动信号可造成电机振动，并且从而生成触觉效果。驱动信号可通过连续LRA驱动器120输出至输出引脚，并且电机也可耦合至输出引脚。
[0044]电机可包括具有弹簧加载质量块的线圈电机。电机可包括永久磁体。电机可造成弹簧加载质量块振动以生成触觉效果。电机也可包括磁性线圈以生成运动。此外，电机的振动可引起在电气信号线中产生的BEMF信号耦合至电机。BEMF信号的频率可对应于机械系统的谐振频率，并且BEMF信号的振幅可对应于机械系统的振动幅度。
[0045]图1 (b)为可使用于本发明中的电磁电机190的简化框图。电机可包括线圈191、永久磁体192、弹簧193和质量块194。线圈191可稱合至驱动信号输出端。
[0046]返回至图1 (a)，BEMF监测器130可从电气信号线捕获BEMF信号，该电气信号线可用于将驱动信号应用于电机。BEMF监测器130可耦合至相同的输出引脚，其中连续LRA驱动器120将驱动信号输出至该输出引脚并且其中电机耦合至该输出引脚。由于驱动信号可为连续的信号，所以BEMF监测器130可从驱动信号分离BEMF信号。在分离BEMF信号之后，BEMF监测器130可测量BEMF信号的频率和/或振幅。根据测量值，BEMF监测器130可将调节信号传送至LRA驱动器120。然后，LRA驱动器120可调节驱动信号的频率和/或振幅以产生最佳的驱动信号。
[0047]不同于一些现有技术系统，系统100在其捕获相同信号线上作为驱动信号的BEMF信号时不暂停或停止驱动信号。此外，系统100不包括用以捕获BEMF信号的单独线圈或线，但在驱动信号应用的同时捕获相同线上的BEMF信号作为驱动信号。
[0048]触觉控制器110、连续LRA驱动器120和BEMF监测器130可在单独集成电路上制造或可结合入通用集成电路。例如，连续LRA驱动器120和BEMF监测器130可在单个集成电路上制造。集成电路可放置于电路板上，例如，印刷电路板(PCB)。
[0049]为理解本发明的操作，请考虑图1 (C)，其示出了电机的电气模型。电机可表示为三个电气组件。电阻组件R表示电机中的电阻。电感组件L表示电机中的电感。BEMF组件表示电机的运动所生成的电气信号。因此，电机上可见的电压可表征为:di dA
[0050]^ = Rl + L I+
?
[0051]其中R为电机中的电阻组件，i为电流，L为电机中的电感组件，I力电流的变化
率，A为磁通量，并且I为BEMF。BEMF可进一步定义为:
dA
[0052]em = = K^v
I
[0053]其中Kg为EMF常数并且v为速率。
[0054]图2示出了根据本发明的一个实施例生成触觉效果的方法200。最初，触觉控制信号可接收(框210)。触觉控制信号可包括有关所需触觉效果的特性的信息。特性可包括触觉效果的类型、触觉效果的持续时间，等等。接下来，根据触觉控制信号可生成驱动信号(框220)。驱动信号可为连续的信号。例如，驱动信号可为脉冲调制信号，其为连续的信号。
[0055]所生成的驱动信号可输出至电机(框230)。驱动信号可激发电机运动，其根据驱动信号的波形将造成电机中的质量块振动。质量块的振动造成由用户感觉的触觉效果。振动还可包括电气线中的BEMF信号，该电气线将驱动信号应用于电机。
[0056]在连续驱动信号应用于电机的过程中，BEMF信号可测量(框240)。BEMF信号在应用驱动信号的电气线中可捕获。BEMF信号可从驱动信号分离，因为驱动信号也与电气线中的BEMF —起被捕获(由于驱动信号是连续的)。BEMF信号通常为低频率信号。在BEMF信号的分离后，测量BEMF信号的频率和/或振幅。BEMF信号的频率可对应于机械系统的谐振频率，并且BEMF信号的振幅可对应于机械系统的振动幅度。
[0057]驱动信号的频率和/或振幅可进行调节(框250)。以反馈的方式，驱动信号的波形可根据BEMF测量结果进行调节。在最佳系统中，驱动信号的频率将为机械系统的谐振频率，其振幅将为所需的触觉效果幅度。
[0058]图3为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器300的简化框图。BEMF监测器300可从连接的执行器/电机接收输入信号。另外，BEMF监测器300在连续驱动信号应用于连接的电机时可捕获BEMF信号。BEMF监测器300可包括整流器310、DC消除器320、放大器330和模拟-数字转换器(ADC) 340。
[0059]整流器310可逆转输入信号的负相。因此，整流信号始终可为正电压。DC消除器320可移除整流输入信号中的DC偏移量。DC偏移量可对应于驱动信号。放大器330可放大BEMF信号以增大BEMF信号的波形。ADC340随后可将放大信号转换为数字信号。然后，转换数字信号可用于测量BEMF信号的频率和/或振幅，如下文更详细地描述。
[0060]在一个实施例中，整流器310和DC消除器320可集成在一起。在另一个实施例中，整流器310可为不需要的，因为DC消除器320可仅在输入信号的正半周期供给DC消除信号。
[0061]图4为根据本发明的一个实施例的BEMF监测器400的电路水平实施方式。BEMF监测器400可从连接的电机/执行器接收输入信号。电机的输入信号可具有正相和负相两者。BEMF监测器400可包括混频器410、电阻器420.1和420.2、电流源430、放大器440、增益电阻器450.1和450.2，和ADC460。
[0062]混频器410可从电机接收输入信号并且可整流输入信号以逆转所有的负相。因此，混频器410可产生所有正相的信号。混频器410可半周期至半周期地切换以产生所有正信号。
[0063]电阻器420.1、420.2可耦合至混频器410的输出端。电阻器420.1、420.2可反映电机中的电阻。电流源430可产生DC消除电流以消除输入信号中的DC偏移量。DC偏移量可对应于激发电机振动运动的驱动信号。电流源的输出端可耦合至放大器的输入端。放大器440可为差分放大器。电流源430 (例如)可耦合至放大器440逆转输入的求和节点。增益电阻器450.1,450.2可设定放大器440的增益。
[0064]ADC460可将模拟输入信号转换为数字信号，该数字信号随后可进行处理以测量振动的谐振频率和/或振幅。在一个实施例中，BEMF监测器400还可包括放大器之后的低通滤波器以进一步窄化ADC460的感兴趣的信号。低通滤波器(例如)可为RC低通滤波器。
[0065]图5为根据本发明的另一个实施例的BEMF监测器500的电路水平实施方式。BEMF监测器500可从连接的电机/执行器接收输入信号。电机的输入信号可具有正相和负相两者。BEMF监测器500可包括电阻器510.1和510.2、电流源520、混频器530、放大器540、增益电阻器550.1和550.2，和ADC560。
[0066]电阻器510.1、510.2可反映LRA中的电阻。电流源520可产生DC消除电流。混频器530可为开关或作用为开关以应用电流源520仅处于输入信号的正周期的电流。因此，在BEMF监测器500中，DC消除和整流操作可进行集成。
[0067]混频器530的输出端可耦合至放大器540的输入端。混频器530可将电流源520半周期至半周期地耦合至放大器540的不同求和节点。放大器540可为差分放大器。增益电阻器550.1,550.2可设定放大器540的增益。
[0068]ADC560可将模拟输入信号转换为数字信号，该数字信号随后可进行处理以测量振动的谐振频率和/或振幅。在一个实施例中，BEMF监测器500还可包括放大器之后的低通滤波器以进一步窄化ADC560的感兴趣的信号。低通滤波器(例如)可为RC低通滤波器。
[0069]图6为根据本发明的另一个实施例的BEMF监测器600的电路水平实施方式。BEMF监测器600可将电压源用作DC消除源。BEMF监测器600可从连接的电机/执行器接收输入信号。电机的输入信号可具有正相和负相两者。BEMF监测器600可包括电阻器610.1和610.2、电压源620、两对混频器630.1和630.2、匹配电阻器640.1和640.2、放大器650、增益电阻器660.1和660.2，和ADC670。
[0070]电阻器610.1、610.2可反映LRA中的电阻。电压源VDAC620可产生DC消除电压。在一些诸如串DAC的实施方式中，电压源对电流源可为优选的，以消除DC偏移量。混频器630.1、630.2可为或可作用为开关以应用VDAe620仅处于输入信号的正周期的电压。因此，在BEMF监测器600中，DC消除和整流操作可进行集成。匹配电阻器640.1,640.2可匹配电压源620的电阻。
[0071]放大器650可为差分放大器。混频器630.1,630.2将VDAe620半周期至半周期地耦合至放大器650的不同求和节点。增益电阻器660.1,660.2可设定放大器650的增益。
[0072]ADC670可将模拟输入信号转换为数字信号，该数字信号随后可进行处理以测量振动的谐振频率和/或振幅。在一个实施例中，BEMF监测器600还可包括放大器之后的低通滤波器以进一步窄化ADC670的感兴趣的信号。低通滤波器(例如)可为RC低通滤波器。
[0073]在本发明的一个实施例中，BEMF监测器可主要地利用数字电路实现。数字实施方式可减少模拟电路组件，并且因此，可减少BEMF监测器尺寸。另外，主要数字实施方式可为可重构的和可编程的。图7为根据本发明的一个实施例的主要地利用数字电路监测BEMF的BEMF监测器700的电路水平实施方式。
[0074]BEMF监测器700可从连接的电机/执行器接收输入信号。电机的输入信号可具有正相和负相两者。BEMF监测器700可包括电阻器710.1和710.2、放大器720、增益电阻器730.1 和 730.2、ADC740，和数字控制器 750。
[0075]电阻器710.1、710.2可反映LRA中的电阻。电阻器710.1、710.2输出端可耦合至放大器720的输入端。增益电阻器730.1,730.2可设定放大器720的增益。ADC740可将模拟信号转换为数字信号，该数字信号随后将进行处理以确定振动的谐振频率和/或振幅。ADC740可为高分辨率ADC以精确地测量DC偏移量仍然保持在模拟输入信号中的宽动态范围内的BEMF组件。数字控制器750可数字地移除数字化信号的DC分量。
[0076]在BEMF监测器700的主要数字实施方式中，DC分量可从数字化信号移除。在移除DC分量之后，BEMF信号可进行分离。本实施例中的ADC740可采样输入信号的正相和负相两者。因此，该实施例中的放大器720可具有多种不同配置，诸如仪表放大器。此外，下文描述的频率和振幅测量技术可应用于模拟和数字DC分量移除实施方式两者。
[0077]图8为模拟驱动信号、穿过电机可见的电压信号、BEMF信号和电机的位移的时序图。第一(顶部)图示出了驱动信号。驱动信号可为电流信号，并且驱动信号可为矩形波信号，诸如所示的方波。
[0078]第二图示出了穿过电机的终端生成的电压信号。电压信号由流经电机的电阻的电流生成，其产生电压水平的DC变化。电压信号还可包括瞬态电平，该瞬态电平通过应用于电机的电感元件的电流信号的突然变化生成并且在第二图上示出为电压的尖峰。电压信号还可将叠加的BEMF信号并入于DC水平上。
[0079]第三图示出了移除DC和瞬态电平的BEMF信号。当以电机的机械谐振频率驱动时，BEMF信号的过零点应最佳地对应于驱动信号的上升沿和下降沿。第四图示出了电机的位移(振动)。最大位移应最佳地对应BEMF信号的过零点和驱动信号的上升/下降沿。
[0080]在本发明的一个实施例中，BEMF频率可通过确定BEMF信号的过零点进行计算。图9 (a)为根据本发明的一个实施例示出测量BEMF信号的过零点的方法的时序图。顶部图示出了从振动电机捕获的BEMF信号，并且底部图示出了进入BEMF监测器的ADC中的输入电压。
[0081]BEMF信号可在过渡窗口 tl中测量，其在驱动信号的电流方向变化之后开始。过渡窗口 tl可包含ADC输入电压的尖峰，其表示由电流变化造成的瞬态电平。用于确定BEMF信号的频率的第一参考点可在过渡窗口 tl的端处测量。在这个时间点上，瞬态电平已充分地衰减以开始参考点测量。
[0082]在时间段t2期间，ADC可继续采样BEMF信号或可暂停采样小于谐振周期的一半的时间。在时间段t2之后，BEMF信号可再次进行监测以找出第二参考点。第二参考点为电压，该电压相当于(在公差范围内)第一参考点的电压水平。然后，BEMF信号的频率可利用第一参考点和第二参考点推导出。谐振周期可略高于第一和第二测得参考点之间的时间推移。此外，BEMF测量可迭代地执行以提供驱动信号输出的连续调节。
[0083]过渡窗口可与单个捕获参考值或多个捕获参考值同步，其通过ADC时钟控制。多个参考值可提供更精确的测量，同时相比于单个捕获参考，还可使用更多的资源。
[0084]在一个实施例中，参考值可对应于BEMF信号的峰值。峰值测量的估计过渡窗口可利用系统的现有知识进行预编程或可为粗估计。粗估计可进行更新和/或重新配置。
[0085]在本发明的另一个实施例中，BEMF频率也可通过确定BEMF信号的峰电压计算。图9 (b)为根据本发明的一个实施例的利用峰电压测量结果确定BEMF信号的频率的方法的时序图。顶部图示出从振动电机捕获的BEMF信号，并且底部图示出了进入BEMF监测器的ADC中的输入电压。
[0086]在时间TO处的电流方向变化之后，ADC可继续或暂停采样时间段Tl，该时间段大约小于谐振周期的四分之一。在时间段Tl之后，BEMF信号可监测时间段T2 (采样周期)以找出第一参考点。第一参考点可为BEMF信号的峰电压，由峰时间Tp指定,其中Tp为从米样周期的开始至测量峰电压的第一参考点时的时间。
[0087]然后可推导出BEMF信号的频率。谐振周期可大约为电流方向的变化(TO)和峰时间处的第一测量参考点(Tl+Tp)之间的时间周期的四倍。在检测第一参考点之后，电流方向的变化随后在时间T3之后应用，时间T3大约等于Tl和Tp的总和。BEMF测量可迭代地执行以提供驱动信号的连续调节。
[0088]在本发明的一个实施例中，BEMF信号幅度可通过监测BEMF信号的最大振幅测量。图10为根据本发明的一个实施例的利用峰电压测量结果确定BEMF信号的振幅的时序图。顶部图示出了从振动电机捕获的BEMF信号，并且底部图示出了进入BEMF监测器的ADC中的输入电压。
[0089]BEMF信号的最大振幅将通常在电流脉冲的中点发生。ADC时钟可设定参考值以确定BEMF信号将达到顶峰时的窗口。基于参考值，最大振幅的窗口可由ADC设定。本窗口中测量的峰值可对应于最大振幅。
[0090]根据本发明的一个实施例，在具有连续驱动信号的触觉生成系统中可提供双模驱动器。双模可为线性驱动模式和开关驱动模式。相比于线性驱动模式，开关驱动模式可具有较低的功耗，但可生成较高的电气噪音。另外，双模驱动器在测量BEMF信号时可为线性驱动模式。
[0091]图11 (a)为根据本发明的一个实施例的双模驱动器1100的简化图。双模驱动器1100可包括电流源1110、DAC1120、运算放大器(op-amp) 1130、开关1140、脉冲宽度调制器1150、开关1160，和一对驱动晶体管1170和1180。双模驱动器1100可耦合至LRA/电机1190。LRAl 190可通过如上文参考图1 (b)所描述的电阻器元件和电感元件的电气组件表
/Jn o
[0092]运算放大器1130可控制任一种模式中的驱动信号的幅度。运算放大器1130可根据电流源IkefIIIO放大调节电压。驱动晶体管可为优化晶体管(一个为p型晶体管并且另一个为n型晶体管)。晶体管根据耦合到晶体管的栅极的开关模式信号在同一时间选择性地接通/断开。晶体管的输出端可以被耦合以生成电流驱动信号IQUT。LRA1190可接收电流驱动信号1t并生成用于调节电机电流的参考电压。
[0093]开关1140和1160可控制双模驱动器1100的模式。在线性模式中，开关1140可闭合，并且开关1160可打开。在开关模式中，开关1140可打开，并且开关1160可闭合。
[0094]图11 (b)为根据本发明的一个实施例的线性模式1101中图11 Ca)的双模驱动器的简化图。开关1140可闭合以提供线性模式路径，并且开关1160 (未示出)可打开。线性模式1101中的双模驱动器可包括电流源1110、DAC1120、运算放大器1130、开关1140、驱动晶体管1170。运算放大器1130可控制任一模式中驱动信号的幅度。运算放大器1130可根据电流源IkefIIIO放大调节电压。晶体管1170的输出可生成电流驱动信号I.。LRAl 190可接收电流驱动信号I.并生成用于调节电机电流的参考电压。此外，传感电阻器R可感测穿过LRA1190的电压以控制驱动输出。
[0095]图11 (c)为根据本发明的一个实施例的开关模式1102中图11 Ca)的双模驱动器的简化图。开关1160可闭合以提供模式路径，并且开关11400(未示出)可打开。开关模式1102中的双模驱动器可包括脉冲宽度调节器1150、开关1160和一对驱动晶体管1170和1180。运算放大器1130可控制任一模式中的驱动信号的幅度。运算放大器1130可根据电流源IkefIIIO放大调节电压。脉冲宽度调节器1150可包括比较器，比较器接收运算放大器1130输出作为一个输入和锯齿波形作为其他输入。脉冲宽度调节器1150可输出脉冲模式信号。驱动晶体管可为优化晶体管(一个为P型晶体管并且另一个为η型晶体管)。晶体管根据耦合至晶体管的栅极的开关模式信号选择性地同时接通/断开。晶体管的输出可进行耦合以生成电流驱动信号IQUT。LRAl 190可接收电流驱动信号Iqut并生成用于调节电机电流的参考电压。此外，传感电阻器R可感测穿过LRA1190的电压以控制驱动输出。
[0096]双向电流可通过将驱动晶体管放置入H桥配置中实现。图12为H桥配置中具有驱动晶体管的系统1200的简化图并且示出了线性和开关模式配置两者中电流流动方向。实线表示线性模式并且虚线表示开关模式。系统1200可包括第一组驱动晶体管1210.1、1210.2、第二组驱动晶体管1220.1、1220.2、第三组驱动晶体管1230.1、1230.2和传感电阻器 1240。
[0097]第一组晶体管1210.1、1210.2可为pmos型晶体管。第二组晶体管1220.1,1220.2可为nmos型晶体管。第三组晶体管1230.1,1230.2可为nmos型晶体管。
[0098]在正电流脉冲过程的线性模式中，电流可流经晶体管1210.1和1230.2，并且所有其他晶体管可断开。在负电流脉冲过程的线性模式中，电流可流经晶体管1210.2和1230.1，并且所有其他晶体管可断开。电压可在传感电阻器1240感测出。根据感测电压，晶体管的栅极处的驱动电压可进行调节以调节电机的电流。
[0099]在正电流脉冲过程的开关模式中，电流在第一部分的循环过程中可流经晶体管1210.1和1230.2。电流流动可使电机中的电感组件带电。
[0100]在正电流脉冲过程的开关模式中，晶体管1210.1可断开并且晶体管1220.1可接通，在第一部分的循环过程中的电感器形成的电荷可保持电流流经1220.1和1230.2，如电流流动图所示。在负电流脉冲过程的开关模式中，电流在第一部分的循环过程中可流经晶体管1210.2和1230.1。电流流动可使电机中的电感器带电。又在负电流脉冲的开关模式中，晶体管1210.2可断开并且晶体管1220.2可接通，在第一部分的循环过冲中的电感器形成的电荷可保持电流流经1220.2和1230.1，如电流流动图所示。电压可在传感电阻器1240处感测。根据感测电压，晶体管的栅极处的驱动电压可进行调节以调节电机的电流。例如，栅极电压的占空比可根据感测电压水平调节。
[0101]上文所描述的本发明的实施例示出了根据其测量BEMF信号的电流驱动信号和电压感测信号。在本发明的另一个实施例中，电压驱动信号可利用并且电流信号可进行监测以确定BEMF信号。根据BEMF信号性质，电压驱动信号的频率和/或振幅可调节。电压驱动信号可减少流经电机的电流。
[0102]图13为模拟驱动信号、电机中的感测电流信号、BEMF信号和电机的位移的时序图。第一(顶部)图示出了驱动信号。驱动信号可为电压信号，并且驱动信号可为矩形波信号，诸如所示的方波。
[0103]第二图示出了电机中所生成的电流信号。BEMF信号可叠加在电流信号上。在第二图中，BEMF在感测电流信号的顶部上示出为“谷(trough) ”。因此，BEMF可减少提供给电机的电流。
[0104]第三图示出了电机的位移(振动)。第四图示出了具有移除DC电流的BEMF信号。最大位移应最佳地对应BEMF的过零点和驱动信号的上升/下降沿。
[0105]为测量电流信号，感测电流可供给BEMF监测器中的传感电阻器。图14为根据本发明的一个实施例的耦合至具有电压驱动信号的电机的传感电阻器1410的简化框图。穿过传感电阻器的电压随后可类似于电压输入信号进行处理，如本文参考图3-7所述。此外，检测谐振频率和振动振幅的相同方法可应用于本文参考电流驱动/感测电压实施例所描述的电压驱动/感测电流实施例。
[0106]此外，本发明的实施例也可使用不同的驱动波形来实施。虽然方波可向电机提供大多数能量，因为方波具有曲线下方最大的区域，但是方波也可包括可听范围内的谐波。因此，谐波在触觉效果过程中可生成不必要的嗡嗡声或声音回荡。因此，效果强度和谐波副作用之间可存在一种权衡。
[0107]方波驱动信号的一个替代方案可为菱形驱动信号。图15不出了方波驱动信号和菱形驱动信号。方波驱动信号(如图15 (a)所示)可提供最强驱动信号；然而，方波驱动信号可产生不需要的可听范围谐波。此外，方波并非最具能效的驱动信号，因为谐波形式的能量不转换为运动。另外，方波驱动信号可非最佳地为“方形”，而是在本发明的一个实施例中也可为“矩形”。
[0108]相比于类似幅度的方波，菱形驱动信号(如图15 (b)所示)可向电机提供较少的能量，但是该信号的斜率可不产生可听范围谐波并且在某种意义上(大多数能量存在于固有谐振频率中)可为更有效的。驱动信号在本发明的一个实施例中也可成形为三角波信号。关于菱形或其他非矩形驱动信号，电流变化的参考点在电流达到其最高值时可为斜面的顶部。
[0109]在本发明的另一个实施例中，正弦驱动信号可提供用于驱动电机。图16示出了正弦驱动信号。正弦驱动信号相比于类似幅度的方波可向电机提供较少的能量，但是正弦信号还可不产生可听范围谐波并且可为最有效选择，因为100%的能量以谐振频率应用。或者，生成伪正弦波的多水平对称驱动信号可提供为谐波性能(可听噪声)和实施复杂性之间的权衡。
[0110]在一个实施例中，饱和正弦信号可生成以提供更大的能量效率。例如，替代具有+1和-1的峰的正弦信号，在+1和-1之间饱和的具有+2和-2的峰的正弦信号可生成。因此，饱和正弦信号可为更具能量效率的，同时减少可听范围谐波。
[0111]在另一个实施例中，较高幅度的正弦信号可提供以补偿能量的任何损耗。图17示出了正弦驱动信号。相比于具有幅度A的方波驱动信号，具有幅度1.27*A的正弦驱动信号可大约应用谐振频率的相同能量，同时更有效率。正弦驱动信号在幅度A处可饱和。
[0112]正弦驱动信号的使用可影响BEMF可测量的时间。电机处可见的电压可表征为:
【权利要求】
1.一种触觉控制系统，其包括: 驱动器，以向输出引脚生成连续驱动信号；和 耦合至所述输出引脚的监测器，以捕获其上生成的反电动势(BEMF)信号，以测量BEMF信号属性，和基于所述BEMF信号属性将调节信号传送至所述驱动器， 其中所述驱动器经配置以根据所述调节信号调节所述连续驱动信号生成。
2.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述触觉控制系统为集成电路。
3.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号属性为所述BEMF信号的频率。
4.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号属性为所述BEMF信号的振幅。
5.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述监测器包括: DC消除器元件，以从所述捕获信号移除对应于所述驱动信号的DC偏移量； 放大器；和 模拟至数字转换器。
6.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述监测器还包括: 整流器，以逆转所述捕获信号的 负相。
7.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述监测器还包括: 一对电阻器，其反映机械系统中的电阻。
8.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述监测器还包括: 整流器，以逆转所述捕获信号的负相。
9.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述DC消除器元件包括: 电流源，以产生DC消除电流。
10.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述DC消除器元件包括: 电压源，以产生DC消除电流。
11.根据权利要求5所述的触觉控制系统，其中所述DC消除器元件数字地执行。
12.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号属性为BEMF信号频率，并且所述频率通过捕获对应于BEMF信号过零点的参考点测量。
13.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号属性为所述BEMF信号频率，并且所述频率通过捕获对应于BEMF信号峰值的参考点测量。
14.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号属性为所述BEMF信号振幅，并且所述振幅通过监测BEMF信号峰值测量。
15.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述驱动器经配置以两种模式操作，一种用以生成开关驱动信号的开关驱动模式和一种用以生成线性驱动信号的线性驱动模式。
16.根据权利要求15所述的触觉控制系统，其中所述驱动器在所述监测器捕获所述BEMF信号时经配置以线性模式操作。
17.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为电流信号，并且所述捕获信号为电压信号。
18.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为电压信号，并且所述捕获信号为电流信号。
19.根据权利要求18所述的触觉控制系统，还包括传感电阻器。
20.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为方波驱动信号。
21.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为菱形驱动信号。
22.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为饱和或不饱和两者的正弦驱动信号。
23.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为多级伪正弦驱动信号。
24.根据权利要求22所述的触觉控制系统，其中所述监测器在所述正弦驱动信号的电流变化率为零时测量所述BEMF信号。
25.根据权利要求22所述的触觉控制系统，其中所述正弦驱动信号为电流信号。
26.根据权利要求22所述的触觉控制系统，其中所述正弦驱动信号为电压信号。
27.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述驱动器从所述输出引脚/多个输出引脚将所述驱动信号输出至多个机械系统。
28.根据权利要求27所述的触觉控制系统，其中所述驱动信号造成每个机械系统振动以产生触觉效果。
29.根据权利要求27所述的触觉控制系统，其中所述监测器捕获由所述多个机械系统所生成的所有所述BEMF信号的总和。
30.根据权利要求1所述的触觉控制系统，其中所述输出引脚包括一对差分连续驱动信号的引脚。
31.一种生成触觉效果的方法，其包括: 生成连续驱动信号； 经由信号线将所述连续驱动信号输出至执行器，其中所述连续驱动信号使所述执行器振动以生成触觉效果； 捕获所述信号线上由所述执行器在所述连续驱动信号的应用过程中所生成的BEMF信号; 从所述BEMF信号测量BEMF信号性质；和 基于所述测量的BEMF信号性质调节相应连续驱动信号性质。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述BEMF信号性质为BEMF信号频率。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述BEMF信号性质为BEMF信号振幅。
34.根据权利要求31所述的方法，其中捕获所述BEMF信号包括移除捕获信号中的DC偏移量，其中所述DC偏移量对应于所述驱动信号。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括放大所述BEMF信号和将所述BEMF信号转换为数字值。
36.根据权利要求31所述的方法，还包括整流所述捕获信号以逆转负相。
37.根据权利要求31所述的方法，其中所述DC偏移量在模拟域中移除。
38.根据权利要求31所述的方法，其中所述DC偏移量数字地移除。
39.根据权利要求31所述的方法，其中所述BEMF信号性质为所述BEMF信号频率，并且所述频率通过捕获对应于BEMF信号过零点的参考点测量。
40.根据权利要求31所述的方法，其中所述BEMF信号性质为所述BEMF信号频率，并且所述频率通过捕获对应于BEMF信号峰值的参考点测量。
41.根据权利要求31所述的方法，其中所述BEMF信号性质为所述BEMF信号振幅，并且所述振幅通过监测BEMF信号峰值测量。
42.根据权利要求31所述的方法，还包括: 将所述连续驱动信号在一个模式中生成为开关驱动信号并且在另一个模式中生成为线性驱动信号。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述方法在捕获所述BEMF信号时生成线性驱动信号。
44.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为电流信号，并且所述捕获信号为电压信号。
45.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为电压信号，并且所述捕获信号为电流信号。
46.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为方波驱动信号。
47.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为菱形驱动信号。
48.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为正弦驱动信号。
49.根据权利要求31所述的方法，其中所述连续驱动信号为多级伪正弦驱动信号。
50.根据权利要求48所述的方法，其中所述正弦驱动信号为饱和的。
51.根据权利要求48所述的方法，其中在所述正弦驱动信号的电流变化率为零时捕获所述BEMF信号。
52.根据权利要求31所述的方法，其中所述正弦驱动信号为电流信号。
53.根据权利要求31所述的方法，其中所述正弦驱动信号为电压信号。
54.根据权利要求31所述的方法，还包括将所述连续驱动信号经由所述信号线应用于多个执行器。
55.根据权利要求54所述的方法，还包括捕获所述信号线上由所述多个执行器所生成的所有BEMF信号的总和。
56.—种触觉控制系统,其包括: 驱动器，以向输出引脚生成连续驱动信号；和 监测器，其包括: 耦合至所述输出引脚的输入端， DC消除元件，以从所述连续驱动信号分离BEMF信号， 放大器， 模拟至数字转换器； 输出端，以传送调节信号； 其中所述驱动器经配置以根据所述调节信号调节所述连续驱动信号生成。
57.根据权利要求56所述的触觉控制系统，其中所述监测器测量BEMF信号性质并基于所述BEMF信号性质生成所述调节信号。
58.根据权利要求57所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号性质为频率。
59.根据权利要求57所述的触觉控制系统，其中所述BEMF信号性质为振幅。
60.根据权利要求56所述的触觉控制系统，其中所述触觉控制系统为集成电路。
61.根据权利要求56所述的触觉控制系统，所述DC消除元件利用模拟电路执行。
62.根据权利要求56所述的触觉控制系统，所述DC消除元件数字地执行。
63.根据权利要求56所述的触觉控制系统，其中所述驱动器经配置以两种模式操作，一种生成开关驱动信号的开关驱动模式和一种生成线性驱动信号的线性驱动模式。
64.根据权利要求56所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为电流信号。
65.根据权利要求56所述的触觉控制系统，其中所述连续驱动信号为电压信号。
66.—种电子装置,其包括: 触觉控制器，以基于所需触觉效果生成指令； 驱动器，以接收所述指令并生成连续驱动信号； 耦合至所述驱动器的线性谐振执行器，以经由信号线从所述驱动器接收所述连续驱动信号，和使质量块在所述线性谐振执行器内振动，从而生成所述所需触觉效果；和 监测器，以捕获所述信号线上由所述振动所产生的BEMF信号，以测量BEMF信号性质， 其中所述驱动器经配置以基于所述测量的BEMF信号性质调节所述连续驱动信号的生成。
67.一种估计执行器 的谐振周期的方法，其包括: 在第一迭代中， 以第一方向将驱动电流供给至所述执行器， 在供给所述第一方向驱动电流预定时间之后测量参考BEMF值，和在所述BEMF值从所述参考BEMF值偏离之后，搜索所述BEMF值返回至所述参考BEMF值的第一时间； 在第二迭代中， 以第二方向将所述驱动电流供给至所述执行器， 在供给所述第二方向驱动电流预定时间之后测量参考BEMF值，和在所述BEMF值从所述参考BEMF值偏离之后，搜索所述BEMF值返回至所述参考BEMF值的第二时间；和 基于所述第一和第二时间计算所述执行器的所述谐振周期。
【文档编号】G06F3/01GK103620525SQ201280016105
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】E·康帕尼博世, J·卡尔皮玛拉维拉, S·艾瑞阿尔特, E·莫洛尼, K·巴利基, M·姆菲, E·E·恩格利什, P·J·洛佩兹卡诺瓦斯 申请人:美国亚德诺半导体公司