Haptics系統(tǒng)的工作原理和ERM/LRA的特點

Haptics系統(tǒng)通過觸覺反饋來實現(xiàn)人機交互，用戶通過點觸屏幕即可完成短信、打字、游戲等各種應(yīng)用，得益于其簡單方便的交互體驗，Haptics已經(jīng)成為了智能手機、平板電腦中廣泛應(yīng)用的人機交互方式。

Introduction

針對不同的應(yīng)用場景，手機廠家會設(shè)計不同的效果波形，當(dāng)屏幕控制器感應(yīng)到用戶的某種Touch操作后，觸發(fā)Processor生成一個對應(yīng)的振動指令和驅(qū)動波形給Haptics Driver IC，Driver IC對驅(qū)動波形進(jìn)行放大和修正后，驅(qū)動Actuator執(zhí)行對應(yīng)的振動效果。

Haptics系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

Processor：終端設(shè)備的處理器，當(dāng)Processor接收到觸覺觸發(fā)信號時，會生成對應(yīng)的振動指令和振動效果波形發(fā)送給Haptics Driver IC，將振動指令和效果傳達(dá)出去。

Haptics Driver Solution：Haptics驅(qū)動方案，對Processor產(chǎn)生的振動波形進(jìn)行放大和修正后，驅(qū)動Actuator產(chǎn)生振動。針對不同的Actuator，Haptics Driver Solution有所不同，除了相應(yīng)的Driver IC，還包括必要的軟件或算法程序，下文將會展開介紹。

Actuator：振動發(fā)生器，是Haptics系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，生成振動效果反饋給用戶，是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程。常用的Actuator通常可以分為三大類：偏心轉(zhuǎn)子馬達(dá)（Eccentric Rotating Mass: ERM）、壓電馬達(dá)（Piezo）、線性諧振馬達(dá)（Linear Resonant Actuator: LRA），根據(jù)振動方向的不同，LRA又分為Z軸LRA和X軸LRA。由于Piezo采用特殊壓電材料制成，價格相比ERM和LRA要昂貴許多，在終端設(shè)備中很少使用，本文不作討論。

2. EMR

如圖2所示，ERM主要由四個部分組成，圖片最左側(cè)的偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊用于產(chǎn)生振動；右上方的磁鐵、馬達(dá)殼、螺釘和主軸承組成ERM的定子組件；中間的無芯繞組、轉(zhuǎn)向器電機軸組成ERM的電樞組件；下方的端蓋組件用于固定和連接。將ERM固定在終端設(shè)備上，即可將偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的振動頻率和強度傳遞給終端設(shè)備。

Figure 2, Eccentric Rotating Mass

ERM體積和重量都比較大，利用離心運動產(chǎn)生振動效果，震感比較強烈，并且振動頻率可以從1Hz到300Hz，方案簡單，價格低廉。

然而，ERM的構(gòu)造決定了它的固有缺點：首先，ERM的驅(qū)動波形為DC波形，通常隨著輸入電壓增大，ERM的振動增強，但由于ERM體積和重量都比較大，需要驅(qū)動電壓大于一定值時，才能開始振動，因此相比于其他類型的Actuator，ERM的功耗通常較大；第二，ERM利用離心運動產(chǎn)生振動效果，振動響應(yīng)速度慢，起震和停止的速度都比較慢，觸覺體驗不好。

針對ERM的特點，TI提供了多種Driver Solution，Driver芯片集成了Overdrive過載驅(qū)動和Brake剎車功能[2]，能夠減小ERM的起震時間和停止時間，改進(jìn)ERM的觸覺反饋效果，如TI的DRV2603/DRV2604/DRV2605等Haptics Driver IC，具體設(shè)計方案可以參考DRV2605的Evaluation Kit。

3. LRA

LRA可以被認(rèn)為是質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，該系統(tǒng)的質(zhì)量系統(tǒng)在AC驅(qū)動信號的驅(qū)動下進(jìn)行線性運動，產(chǎn)生所需的觸覺反饋振動效果。不同于以DC電壓進(jìn)行驅(qū)動的ERM，LRA需要由AC信號驅(qū)動。若LRA在驅(qū)動信號作用下沿Z軸振動，即為Z軸LRA；若LRA在驅(qū)動信號作用下沿X軸振動，則為X軸LRA。相比ERM，LRA的體積更小，重量更輕，振動響應(yīng)速度快，起震和停止的時間都很短，觸覺反饋體驗更加清脆。

圖3為LRA系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，組成LRA的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)是一個Q值很高的諧振系統(tǒng)，偏離諧振頻率的頻率響應(yīng)急劇下降。如圖3所示，LRA共振頻率可能由于制造公差和環(huán)境因素等變化而變化。因此，為了達(dá)到最大的振動強度，需要確保其驅(qū)動頻率始終能跟蹤LRA的諧振頻率點。

Figure 3, LRA Frequency Response

TI的Haptics Solution使用Auto-F0 Tracking算法檢測LRA的諧振頻率F0，使驅(qū)動信號的頻率跟蹤LRA的諧振頻率F0，以實現(xiàn)LRA更好的振動效果。下面以TI針對Z軸LRA的Haptics Solution為例，介紹TI Haptics Solution使用的Auto-F0 Tracking算法如何工作。

3.1 Z軸LRA

如圖4所示，Z軸LRA的主要由5部分組成：移動質(zhì)量塊、彈簧、音圈、磁鐵以及端蓋組件，通過音圈的電流在移動質(zhì)量塊上施加機械力使質(zhì)量塊上下移動，驅(qū)動LRA振動[1]。因為圖4所示LRA在驅(qū)動信號作用下沿著Z軸方向振動，故稱Z軸LRA。

Figure 4, Z-axis LRA

TI的 DRV260X系列Haptics Solution可以直接用于Z軸LRA，集成了LRA驅(qū)動所需的Auto-F0 Tracking算法。以圖5所示的DRV2605為例，Auto-F0 Tracking是以Back-EMF檢測模塊為核心構(gòu)成的閉環(huán)控制算法[2]。

Figure 5 DRV2605 Block Diagram

Auto-F0 Tracking的原理如下：Haptics Driver施加在LRA音圈的電流將在LRA內(nèi)部質(zhì)量塊上產(chǎn)生機械力，驅(qū)動LRA線性振動，隨著LRA內(nèi)部質(zhì)量塊的移動，LRA音圈相對于磁場的移動也將產(chǎn)生反向電動勢（Back-EMF），圖5中DRV2605的Back-EMF模塊將檢測LRA產(chǎn)生的Back-EMF電壓，根據(jù)Back-EMF電壓與頻率特性的對應(yīng)關(guān)系可以確定LRA系統(tǒng)的諧振頻率F0。

通過Auto-F0 Tracking得到的F0頻率，一方面可以應(yīng)用于驅(qū)動振動的波形頻率，得到更有效的振動；另一方面，也可以直接應(yīng)用于與驅(qū)動振動的信號反相的剎車信號，使振動停止非常迅速。這種Auto-F0 Vibration & Braking機制最終使Haptics系統(tǒng)得到清脆不拖沓的觸覺反饋效果。針對Z軸LRA的Haptics Solution可以參考DRV2605， http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv2605.pdf。

3.2 X軸LRA

相比ERM，Z軸LRA的振動效果已經(jīng)有很大提升，但是由于Z軸LRA振動方向沿著Z軸，即上下振動，在厚度比較薄的終端設(shè)備中，振動幅度受限，而X軸LRA則解決了這一限制。

如圖6所示，X軸LRA一般為矩形，主要由5部分組成：移動質(zhì)量塊、音圈、磁鐵、彈簧和端蓋組件。彈簧連接在質(zhì)量塊的左右兩側(cè)，因此LRA振動在X平面，具有更大的振動空間，可以達(dá)到更大的振動幅度。

Figure 6, X-axis LRA

和Z軸LRA類似，X軸LRA頻率響應(yīng)的Q值非常高，因此也需要Auto-F0 Tracking來完成驅(qū)動信號頻率對LRA諧振頻率的追蹤。除此之外，由于X軸LRA振動在X軸方向，具有更大的振動幅度，因此需要更高的驅(qū)動電壓。

TI提供Smart Amp作為X軸LRA Haptics Driver的Solution。一方面，Smart PA內(nèi)部集成了BOOST結(jié)構(gòu)，能夠提供X軸LRA需要的高驅(qū)動電壓；另一方面，Smart PA集成了IVsense Feature可以檢測LRA的Back-EMF電壓[3]，通過圖7所示的算法結(jié)構(gòu)完成LRA諧振頻率F0的追蹤和驅(qū)動波形頻率校準(zhǔn)。

Figure 7, Auto-F0 tracking for X-axis LRA

4.Summary

綜上所述，本文詳細(xì)介紹了Haptics系統(tǒng)的工作原理和ERM/LRA的特點，針對不同的Actuator，TI提供全方位的Haptics Solution，包括Haptics Driver IC和相應(yīng)的Driver Algorithm。隨著智能手機越來越薄，我們可以預(yù)見的是X軸LRA會得到越來越多的應(yīng)用，以幫助用戶獲得更好的觸覺反饋體驗。

審核編輯：郭婷