如何選擇合適的壓電驅(qū)動(dòng)

在上一期的觸覺反饋中，我們介紹到了目前主流觸覺反饋設(shè)計(jì)中常用的執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)器。傳動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)效果離不開觸覺驅(qū)動(dòng)器，觸覺驅(qū)動(dòng)器發(fā)送模擬或數(shù)字輸入信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)器放大信號(hào)或從構(gòu)件中調(diào)用波形，并輸出到傳動(dòng)器以產(chǎn)生振動(dòng)效果。 作為一種新興技術(shù)，壓電驅(qū)動(dòng)器透過壓電驅(qū)動(dòng)器的致動(dòng)器材料發(fā)送高壓電源，使其變形并產(chǎn)生觸覺反饋，擁有極短的啟停響應(yīng)時(shí)間和更高的效率。驅(qū)動(dòng)器性能足夠優(yōu)秀才能帶來更好的觸覺反饋，壓電式驅(qū)動(dòng)更短的響應(yīng)時(shí)間增強(qiáng)了人機(jī)交互的“互動(dòng)感”，并增強(qiáng)了對(duì)于機(jī)械設(shè)備、智能終端的操控。

壓電式高效驅(qū)動(dòng)

在響應(yīng)速度上，相比LRA，ERM驅(qū)動(dòng)，壓電式驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度有極大領(lǐng)先，通常壓電式驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度僅在1-2ms左右，遠(yuǎn)快過其他驅(qū)動(dòng)。其實(shí)對(duì)于觸覺反饋來說，觸覺反饋環(huán)節(jié)里我們首先關(guān)注的是人的觸感，再是效率。超過幾百兆赫茲的振動(dòng)不但不能提供很好的觸覺反饋，反而消耗不必要的功率。周期超過幾毫秒的振動(dòng)可以產(chǎn)生較強(qiáng)觸感，但也會(huì)產(chǎn)生額外的噪音。 典型的壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜且耗電，并不高效，大量功率消耗在驅(qū)動(dòng)壓電的AB類放大器和產(chǎn)生高壓電源的升壓轉(zhuǎn)換器中。這里我們可以看一下Maxim（ADI）的驅(qū)動(dòng)方案，其中升壓轉(zhuǎn)換器既是高壓源，又是驅(qū)動(dòng)電容性壓電元件的放大器，吸收交流電流。升壓轉(zhuǎn)換器電感電流在為正時(shí)為壓電電容充電。當(dāng)它為負(fù)時(shí)，能量返回輸入電容。

（高效壓電驅(qū)動(dòng)，Maxim） 這種高效驅(qū)動(dòng)器件通過對(duì)壓電元件進(jìn)行優(yōu)化，可利用2.8V至5.5V輸入電源或單節(jié)Li+電池產(chǎn)生幅值高達(dá)110VPK-PK的單端觸覺波形。除了與開關(guān)損耗和MOSFET 晶體管的有限RDS(ON)相關(guān)的損耗外，幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何損耗。整個(gè)高效的壓電驅(qū)動(dòng)可以帶來良好的觸摸感受。

高速壓電驅(qū)動(dòng)

高速的壓電驅(qū)動(dòng)芯片，我們可以看一看國產(chǎn)廠商圣邦微的高速壓電驅(qū)動(dòng)芯片，其電路設(shè)計(jì)很獨(dú)特，可以提供超高速驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)?A的峰值電流傳遞到高電容負(fù)載中。在控制上也比較靈活，可以同時(shí)控制兩路信號(hào)輸入。匹配的上升和下降延遲時(shí)間提高了速度和驅(qū)動(dòng)能力—這些匹配的延遲可保持輸入至輸出脈沖寬度的完整性，以減少定時(shí)誤差和時(shí)鐘偏移問題。動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗則通過非重疊驅(qū)動(dòng)技術(shù)得以最小化。高速壓電驅(qū)動(dòng)芯片集成升壓DCDC來實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)電壓，就高壓和高速而言，圣邦微的這個(gè)系列是很優(yōu)秀的國產(chǎn)選擇。

壓電驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的高清觸覺反饋

高清的觸覺反饋是其他觸覺反饋技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的，充分發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)也相當(dāng)依賴于驅(qū)動(dòng)的高性能。想要觸覺反饋更清晰、更精準(zhǔn)，那必須在響應(yīng)上做到幾乎瞬時(shí)。為了使器件的觸覺反饋更快，有些廠商會(huì)在器件內(nèi)置一個(gè)波形存儲(chǔ)器，用于以最小的延遲保存并讀取波形，同時(shí)內(nèi)置一個(gè)高級(jí)波形合成器，以最少的存儲(chǔ)空間構(gòu)建復(fù)雜觸覺波形。這種硬件加速的方式將大大減少整個(gè)觸覺系統(tǒng)的工作量。 再看啟動(dòng)時(shí)間，基于壓電技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間相比其他技術(shù)其實(shí)已經(jīng)足夠快了。眾多壓電驅(qū)動(dòng)廠商在響應(yīng)時(shí)間縮短到極限之后，開始向更快的啟動(dòng)時(shí)間瞄準(zhǔn)。Boréas的CapDrive技術(shù)能夠?qū)?dòng)時(shí)間壓縮至0.3ms，是上述提到的Maxim（ADI）壓電驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間的一半，這種延遲在大多數(shù)系統(tǒng)中都足夠低了。

小結(jié)

如何選擇合適的壓電驅(qū)動(dòng)，首先要確定壓電致動(dòng)器所需要的電壓。一般來說較大的壓電致動(dòng)器需要較高的電壓才能產(chǎn)生良好的觸覺反饋。重量輕、空間較小、電源受限的移動(dòng)設(shè)備不需要最強(qiáng)大的壓電驅(qū)動(dòng)來產(chǎn)生觸覺反饋，這類應(yīng)用更看重低功耗和小尺寸。但是對(duì)于空間和動(dòng)力不是主要限制的應(yīng)用則恰好相反，觸覺反饋必須足夠強(qiáng)大，更快的響應(yīng)時(shí)間與更大的觸覺效果才是這類應(yīng)用需要的。

審核編輯 ：李倩