Pilotage de la vibration et du retour haptique dans les dispositifs portables

La réalité augmentée, la chirurgie virtuelle, les remplacements de membres, les dispositifs médicaux et d'autres nouvelles technologies doivent intégrer des moteurs de vibration haptique et des retours pour donner à l'utilisateur une sensation complète de son interaction avec son environnement. À moins que ces applications de pointe n'incluent la vibration haptique et le retour, les utilisateurs sont forcés de s'appuyer sur leurs quatre autres sens pour comprendre l'environnement réel ou virtuel. Des composants à faible coût pour soutenir le retour haptique sont disponibles depuis l'époque des téléphones portables à clapet pour soutenir ces applications, et les concepteurs ne sont limités que par leur imagination.

Après une récente demande d'un nouveau client, j'ai dû plonger dans le monde de la vibration haptique et du retour. Si vous êtes un concepteur d'électronique audio, alors vous êtes probablement familier avec les transducteurs et comment les associer avec des amplificateurs, des MCU ou d'autres composants. Que vous soyez familier ou non avec les transducteurs, il y a un problème de logiciel embarqué à résoudre, particulièrement lorsque l'on considère les capteurs utilisés pour déclencher le retour haptique.

Choisir un moteur de vibration haptique

Un moteur de vibration haptique se présente sous deux variétés : amplitude variable et fréquence variable. De toute évidence, ces moteurs peuvent être décomposés en différentes structures de moteurs, telles que les moteurs à oscillation verticale, linéaires et à masse rotative excentrique (ERM). Les moteurs ERM étaient courants dans les anciens pagers et les premiers téléphones portables. Les moteurs à oscillation verticale et les moteurs linéaires sont similaires dans la manière dont ils appliquent une force contre un paquet. Ces moteurs peuvent être montés sur la carte ou sur le paquet via une paire de fils.

Le style monnaie/crêpe présenté ci-dessus est essentiellement un moteur à courant continu contrôlé en amplitude, où la fréquence peut varier de ~10000 à ~15000 RPM en variant la tension continue vue par le moteur. La tension continue nécessaire pour alimenter ces moteurs varie généralement de 2 à 5 V, et les dispositifs nécessitent entre ~50 à ~100 mA. Un certain nombre d'études au cours des deux dernières décennies ont trouvé que la fréquence de vibration optimale pour l'haptique varie de 150 Hz à 180 Hz. Des versions en courant alternatif sont également disponibles (voir le tableau ci-dessous).

Un autre type de moteur de vibration haptique est un actionneur à résonance linéaire (LRA). Ce type de moteur a une forte résonance dans une bande passante étroite. Ces dispositifs ne devraient pas être utilisés avec des haptiques contrôlées par fréquence, mais ils sont très utiles pour des haptiques contrôlées par tension, car ils répondront à la fréquence de conduite (c'est-à-dire, il s'agit d'un moteur à courant alternatif).

Adaptation d'impédance ou pontage d'impédance ?

Intégrer ces moteurs dans un système réel n'est pas un tel défi, car ils ne créent pas les mêmes problèmes d'EMI conduits et rayonnés que les moteurs plus grands. S'ils sont placés sur la carte (c'est-à-dire, comme un composant CMS), ils devraient être situés près du bord de la carte et près de la région qui permettra à l'utilisateur de percevoir au mieux la vibration. Concevez les cartes pour ces composants comme vous le feriez pour tout autre petit moteur DC/AC.

En raison des exigences de tension et de courant, il y a toujours une question de adaptation d'impédance vs. pontage d'impédance lors de la connexion d'un moteur de vibration à un pilote. Les moteurs de vibration haptiques sont essentiellement des transducteurs qui produisent une vibration mécanique spécifique à basse fréquence en réponse à un signal électrique de basse fréquence.

Si vous lisez certains tutoriels sur les transducteurs, même sur des sites web populaires très techniques, vous trouverez des recommandations de conception qui indiquent qu'une adaptation d'impédance entre le CI source et un transducteur est nécessaire. C'était justement ce type de conseil que l'on pouvait trouver sur EDN et Hyperphysics, jusqu'à ce que plusieurs plaintes obligent les propriétaires des sites à changer leur contenu. Que l'on doive utiliser l'adaptation d'impédance ou le pontage d'impédance dépend de la nature du pilote.

Si le conducteur est effectivement une source de tension contrôlée par le courant (c'est-à-dire, une impédance de sortie faible), alors le pontage d'impédance devrait être utilisé pour transférer une haute tension de sortie au moteur. C'est essentiellement ce qui est fait avec l'équipement audio moderne. Cependant, si le conducteur a la fonctionnalité inverse, le moteur devrait être sélectionné de manière à ce que son impédance soit beaucoup plus faible que l'impédance de la source. Les effets de ligne de transmission ne sont pas pertinents ici car nous opérons dans les centaines de Hz.

Algorithmes de Retour Haptique

Une partie importante du retour haptique est la variation de la sensation de vibration à mesure que d'autres entrées dans le système changent. Des données peuvent être introduites dans le système en parallèle à certaines mesures provenant de capteurs externes et utilisées pour contrôler l'intensité de la vibration haptique. Ces systèmes peuvent être à boucle ouverte ou à boucle fermée, et ils ressemblent aux stratégies de contrôle utilisées dans les systèmes de contrôle industriels.

Les algorithmes de retour haptique sont suffisamment légers pour être intégrés dans un MCU ou un petit FPGA, tant que le dispositif dispose d'assez d'entrées pour supporter les autres fonctions du produit. Les algorithmes de retour haptique doivent néanmoins être conçus pour des produits particuliers, et ces algorithmes constituent toujours un domaine actif de recherche scientifique et d'ingénierie.

Si vous prévoyez d'incorporer la vibration et le retour haptique dans un nouveau PCB, vous devriez utiliser les outils CAO dans Altium Designer® pour concevoir votre nouvelle carte et placer les modèles de composants pour votre moteur de vibration haptique. Les outils MCAD peuvent vous aider à concevoir votre carte pour qu'elle s'adapte parfaitement à son boîtier et à préparer la fabrication.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur les meilleurs outils de mise en page, de simulation et de planification de production de l'industrie. Parlez à un expert Altium dès aujourd'hui pour en savoir plus.