線性諧振傳動(dòng)器如何工作？

LRA結(jié)構(gòu)圖

線性諧振傳動(dòng)器(LRA)是在單個(gè)軸上產(chǎn)生振蕩力的振動(dòng)電機(jī)。與直流偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(ERM)電機(jī)不同，線性諧振傳動(dòng)器依靠交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)壓靠與彈簧連接的移動(dòng)質(zhì)量塊的音圈。當(dāng)音圈在彈簧的共振頻率下被驅(qū)動(dòng)時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)器以可感知的力振動(dòng)。雖然可以通過(guò)改變交流輸入來(lái)調(diào)節(jié)線性諧振傳動(dòng)器的頻率和振幅，但是傳動(dòng)器必須在其諧振頻率下被驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生大電流有意義的力。

在產(chǎn)生振動(dòng)，壓靠移動(dòng)質(zhì)量塊時(shí)，音圈在裝置內(nèi)部保持靜止。通過(guò)相對(duì)于彈簧向上和向下驅(qū)動(dòng)磁體，LRA作為整體發(fā)生移位，產(chǎn)生振動(dòng)。基礎(chǔ)機(jī)制類似于揚(yáng)聲器產(chǎn)生聲音。在揚(yáng)聲器中，通過(guò)將交流電頻率和振幅轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)頻率和振幅使空氣通過(guò)錐體并且以不同的頻率發(fā)生位移。在內(nèi)部，揚(yáng)聲器通過(guò)以快速變化的交流電移動(dòng)磁鐵質(zhì)量塊來(lái)完成該任務(wù)。與可以以任意頻率驅(qū)動(dòng)的揚(yáng)聲器不同，LRA在特定頻率范圍內(nèi)的觸覺(jué)應(yīng)用才是有用的。

除了將由音圈產(chǎn)生的力直接傳遞到皮膚，該裝置還通過(guò)利用彈簧的共振頻率來(lái)優(yōu)化功耗。如果音圈在彈簧的共振頻率下推動(dòng)磁鐵質(zhì)量塊抵靠彈簧，則裝置可以更有效地產(chǎn)生更高振幅的振動(dòng)。由于音圈由交流電驅(qū)動(dòng)，對(duì)振動(dòng)的期望頻率和振幅進(jìn)行建模，可以獨(dú)立地修改頻率和振幅。這不同于ERM電機(jī)，ERM電機(jī)與所產(chǎn)生振動(dòng)的兩個(gè)性質(zhì)耦合。

盡管頻率可以改變，但是LRA通常將在窄頻率范圍內(nèi)操作以優(yōu)化其功耗——如果裝置在彈簧諧振頻率下被驅(qū)動(dòng)，則產(chǎn)生相等幅度的振動(dòng)將消耗更少的功率。無(wú)論如何，這種改進(jìn)本身提供了優(yōu)于ERM電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：隨時(shí)間變化強(qiáng)度的精確波形可以在具有固定頻率的LRA中再現(xiàn)，而ERM電機(jī)中的變化強(qiáng)度的波形也將產(chǎn)生變化的振動(dòng)頻率。

LRA的典型起動(dòng)時(shí)間約為10ms，是ERM電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)所需時(shí)間的一小部分。當(dāng)電流施加到裝置內(nèi)的音圈時(shí)，磁鐵質(zhì)量塊立即移動(dòng)，產(chǎn)生這種不可思議的速度。在ERM電機(jī)中，只有在電機(jī)達(dá)到運(yùn)行速度之后才能產(chǎn)生振動(dòng)——即使在過(guò)度驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生更快的加速度時(shí)，電機(jī)在達(dá)到期望的振動(dòng)強(qiáng)度之前可能需要20-50ms。不幸的是，LRA的停止時(shí)間明顯長(zhǎng)于ERM電機(jī)。由于運(yùn)行期間內(nèi)部彈簧中持續(xù)存儲(chǔ)動(dòng)能，LRA可能需要300 ms的時(shí)間來(lái)停止振動(dòng)。值得慶幸的是，主動(dòng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)也可以用于LRA，通過(guò)執(zhí)行提供給傳動(dòng)器的交流信號(hào)的180度相移，可以通過(guò)產(chǎn)生與振蕩彈簧相反的力非?？焖俚?在大約10ms內(nèi))停止振動(dòng)。

許多現(xiàn)代手機(jī)使用LRA而不是其他類型的振動(dòng)電機(jī)，以便以更小的功率產(chǎn)生更寬范圍的振動(dòng)觸覺(jué)效應(yīng)。像視頻游戲控制器等其他消費(fèi)電子產(chǎn)品也利用線性諧振傳動(dòng)器來(lái)為觸摸板提供觸覺(jué)反饋。

dafruit的DRV2605分線板

照片由Adafruit提供

Adafruit Industries出售DRV2605分線板，該分線板適用于使用LRA的設(shè)備的模擬原型。上述分線板可以很容易地與任何電子原型平臺(tái)進(jìn)行集成。您還可以在線查找分線板的其他變體。

現(xiàn)成的芯片可以簡(jiǎn)化一些應(yīng)用的開發(fā)過(guò)程。TI的DRV2605和DRV2605等觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)LRA以及ERM電機(jī)。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)具有豐富觸覺(jué)反饋的可穿戴設(shè)備Moment時(shí)，我們使用DRV2605 在四個(gè)線性諧振傳動(dòng)器提供沉浸式觸覺(jué)效果

Moment轉(zhuǎn)動(dòng)使用精確定時(shí)的觸覺(jué)效果來(lái)產(chǎn)生在皮膚上的運(yùn)動(dòng)感覺(jué)。這為創(chuàng)建信息的觸覺(jué)表達(dá)提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)——例如，內(nèi)置的觸覺(jué)羅盤可以使用戶總是感覺(jué)到真正北方的位置。Moment還配備了一個(gè)計(jì)時(shí)器，將時(shí)間的流逝轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟脩羰滞笊弦苿?dòng)的感覺(jué)，提高他們對(duì)不同任務(wù)花費(fèi)多少時(shí)間的意識(shí)。DRV2605使我們可以快速對(duì)器件進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，開發(fā)這些獨(dú)特的應(yīng)用，而不必?fù)?dān)心驅(qū)動(dòng)LRA的復(fù)雜性。

由于DRV2605簡(jiǎn)化了以正確諧振頻率驅(qū)動(dòng)LRA的過(guò)程，因此我們能夠更快地對(duì)硬件設(shè)計(jì)的其他部分進(jìn)行迭代。此外，通過(guò)其I2C接口將 DRV2605實(shí)現(xiàn) 為具有微控制器的電路非常簡(jiǎn)單，而且占用空間小，除了驅(qū)動(dòng)器芯片之外僅需要去耦電容器。為您的設(shè)計(jì)選擇LRA也可以幫助提高精度和壽命。

盡管線性諧振傳動(dòng)器在定制設(shè)計(jì)中似乎很難實(shí)現(xiàn)，但是如TIDRV2605等觸覺(jué)驅(qū)動(dòng)器芯片可以簡(jiǎn)化過(guò)程，提高性能并降低總體功耗。

TI的驅(qū)動(dòng)器旨在驅(qū)動(dòng)觸覺(jué)傳動(dòng)器，通過(guò)消除不必要的功能和軟件控制簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。提高性能和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)涉及到幾項(xiàng)功能。例如，自動(dòng)閉環(huán)反饋改進(jìn)了ERM和LRA的響應(yīng)。自動(dòng)校準(zhǔn)檢測(cè)和配置每個(gè)傳動(dòng)器的閉環(huán)反饋系數(shù)，并且自諧振檢測(cè)感測(cè)LRA的諧振頻率。

因?yàn)楦鶕?jù)用戶的需要定制，LRA可以提供更好的整體觸覺(jué)體驗(yàn)。LRA還在不斷發(fā)展，努力降低功耗和電路板占用面積，同時(shí)產(chǎn)生更敏銳、更強(qiáng)的觸覺(jué)效果。

由于我們更多地依賴電子用戶界面，我們需要觸覺(jué)反饋來(lái)幫助我們了解系統(tǒng)正在做什么。觸覺(jué)技術(shù)不僅使我們獲得更令人滿意的體驗(yàn)，還有助于改善控制，擴(kuò)展功能和增強(qiáng)系統(tǒng)用戶的安全性，同時(shí)幫助制造商區(qū)將其產(chǎn)品差異化。