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基于压电驱动的触觉反馈解决方案

上网日期: 2011年09月07日 ?? 作者: Lefeng Shao ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:压电马达? 触觉响应?

压电模型

压电体中运转的电机系统可以用主介质电容Cp并联由LRC组成的串联网络来模拟(图4)。达到谐振频率之前,阻抗会像电容一样随频率上升而下降。所以,当压电体工作在远低于谐振频率时,可以仅用一个电容Cp来模拟。

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图4.压电体阻抗与频率。(阻抗、频率、谐振)

压电体可以工作在谐振频率,以满足自激振荡在固定频率的需求,例如超声振荡器。然而,用于触觉反馈的压电驱动器通常工作在远远低于谐振频率的位置。

对于音频应用,效率是最关心的问题,触觉反馈则与之不同,触觉反馈的关键问题不是效率,而是人的触感。超过几百兆赫兹的振动不但不能提供很好的触觉反馈,反而消耗不必要的功率。周期超过几毫秒的振动可以产生较强触感,但也会产生不希望听到的喀哒声。

图5展示了一个典型的触感波形图,波形模拟了对一个机械按键按压和释放的感觉。波形的上升沿,P0到P1,反映了按压的触觉响应;下降沿,P2到P3,反映了释放的触觉响应。从P1到P2的时间是用户按住机械按键的持续时间,由用户决定。

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图5.一个典型触觉反馈的波形示例。

当构建一个基于压电体的触觉反馈系统时,首先需要决定的是使用单层还是多层压电驱动器(图6)。表1总结了两种压电类型的对比。

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图6. 左图为100VP-P 单层压电片 (SLD) ;右上图为 120VP-P多层压电条(MLS); 右下图为 30VP-P 多层压电条(MLS)

表1.单层和多层压电驱动器的优势对比

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图6. 左图为100VP-P 单层压电片 (SLD) ;右上图为 120VP-P多层压电条(MLS); 右下图为 30VP-P 多层压电条(MLS)

方案选择:

单层还是多层结构?表1提供的信息建议使用单层压电驱动器。单层片供货量大而且已经量产,投入生产的多层压电体则相对较少。另外,单层压电体成本低很多,这在使用多个压电体的方案中十分重要。例如,市场上的很多手机在屏幕后面都安装了多个单层压电片,这种情况下使用多层压电体成本就要高很多。

分立方案还是单芯片方案?基于压电体的触觉反馈方案的缺点之一是复杂度比较高,典型的压电体解决方案采用分立元件实现整个触觉反馈系统,额外的分立元件包括一个微控制器、反激boost或集成电荷泵、反激变压器或电感,以及各种电阻、电容、二极管和晶体管。而基于直流马达的触觉反馈方案需要很少甚至不需要外部元件。

单芯片触觉反馈方案,如 MAX11835相比于传统分立设计有很多优势:较小的印制电路板尺寸、较低功耗、精简的材料清单(BOM)以及简单的软件支持。考虑到压电体尺寸也很小,MAX11835对于手持设备是极具吸引力的解决方案。

图7 展示了单芯片高压触觉反馈驱动控制器的框图:

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图7. 使用压电驱动器的触觉反馈方案框图。

MAX11835 单芯片优化方案具有以下功能:

* 支持单层和多层压电驱动器

* 用户可定义的片上波形存储功能(通过串口)

* 片上波形发生器

* 内嵌DC-DC升压控制器

* 工作电压范围可满足典型的手机电池需求

* 小封装尺寸

* 低功耗


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