Haptics系統(tǒng)的工作原理和ERM/LRA的特點(diǎn)

Haptics系統(tǒng)通過(guò)觸覺(jué)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，用戶通過(guò)點(diǎn)觸屏幕即可完成短信、打字、游戲等各種應(yīng)用，得益于其簡(jiǎn)單方便的交互體驗(yàn)，Haptics已經(jīng)成為了智能手機(jī)、平板電腦中廣泛應(yīng)用的人機(jī)交互方式。

Introduction

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，手機(jī)廠家會(huì)設(shè)計(jì)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(gè)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)指令和驅(qū)動(dòng)波形給Haptics Driver IC，Driver IC對(duì)驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行放大和修正后，驅(qū)動(dòng)Actuator執(zhí)行對(duì)應(yīng)的振動(dòng)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(jué)觸發(fā)信號(hào)時(shí)，會(huì)生成對(duì)應(yīng)的振動(dòng)指令和振動(dòng)效果波形發(fā)送給Haptics Driver IC，將振動(dòng)指令和效果傳達(dá)出去。

Haptics Driver Solution：Haptics驅(qū)動(dòng)方案，對(duì)Processor產(chǎn)生的振動(dòng)波形進(jìn)行放大和修正后，驅(qū)動(dòng)Actuator產(chǎn)生振動(dòng)。針對(duì)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(huì)展開(kāi)介紹。

Actuator：振動(dòng)發(fā)生器，是Haptics系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一環(huán)，生成振動(dòng)效果反饋給用戶，是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程。常用的Actuator通?？梢苑譃槿箢?lèi)：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(dòng)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(jià)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(gè)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(dòng)；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(wú)芯繞組、轉(zhuǎn)向器電機(jī)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(dòng)頻率和強(qiáng)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)效果，震感比較強(qiáng)烈，并且振動(dòng)頻率可以從1Hz到300Hz，方案簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。

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

針對(duì)ERM的特點(diǎn)，TI提供了多種Driver Solution，Driver芯片集成了Overdrive過(guò)載驅(qū)動(dòng)和Brake剎車(chē)功能[2]，能夠減小ERM的起震時(shí)間和停止時(shí)間，改進(jìn)ERM的觸覺(jué)反饋效果，如TI的DRV2603/DRV2604/DRV2605等Haptics Driver IC，具體設(shè)計(jì)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(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生所需的觸覺(jué)反饋振動(dòng)效果。不同于以DC電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的ERM，LRA需要由AC信號(hào)驅(qū)動(dòng)。若LRA在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下沿Z軸振動(dòng)，即為Z軸LRA；若LRA在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下沿X軸振動(dòng)，則為X軸LRA。相比ERM，LRA的體積更小，重量更輕，振動(dòng)響應(yīng)速度快，起震和停止的時(shí)間都很短，觸覺(jué)反饋體驗(yàn)更加清脆。

圖3為L(zhǎng)RA系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，組成LRA的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)是一個(gè)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(dòng)強(qiáng)度，需要確保其驅(qū)動(dòng)頻率始終能跟蹤LRA的諧振頻率點(diǎn)。

Figure 3, LRA Frequency Response

TI的Haptics Solution使用Auto-F0 Tracking算法檢測(cè)LRA的諧振頻率F0，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率跟蹤LRA的諧振頻率F0，以實(shí)現(xiàn)LRA更好的振動(dòng)效果。下面以TI針對(duì)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(dòng)質(zhì)量塊、彈簧、音圈、磁鐵以及端蓋組件，通過(guò)音圈的電流在移動(dòng)質(zhì)量塊上施加機(jī)械力使質(zhì)量塊上下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)LRA振動(dòng)[1]。因?yàn)閳D4所示LRA在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下沿著Z軸方向振動(dòng)，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(dòng)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(cè)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(jī)械力，驅(qū)動(dòng)LRA線性振動(dòng)，隨著LRA內(nèi)部質(zhì)量塊的移動(dòng)，LRA音圈相對(duì)于磁場(chǎng)的移動(dòng)也將產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)（Back-EMF），圖5中DRV2605的Back-EMF模塊將檢測(cè)LRA產(chǎn)生的Back-EMF電壓，根據(jù)Back-EMF電壓與頻率特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以確定LRA系統(tǒng)的諧振頻率F0。

通過(guò)Auto-F0 Tracking得到的F0頻率，一方面可以應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的波形頻率，得到更有效的振動(dòng)；另一方面，也可以直接應(yīng)用于與驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的信號(hào)反相的剎車(chē)信號(hào)，使振動(dòng)停止非常迅速。這種Auto-F0 Vibration & Braking機(jī)制最終使Haptics系統(tǒng)得到清脆不拖沓的觸覺(jué)反饋效果。針對(duì)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(dòng)效果已經(jīng)有很大提升，但是由于Z軸LRA振動(dòng)方向沿著Z軸，即上下振動(dòng)，在厚度比較薄的終端設(shè)備中，振動(dòng)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(dòng)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(dòng)在X平面，具有更大的振動(dòng)空間，可以達(dá)到更大的振動(dòng)幅度。

Figure 6, X-axis LRA

和Z軸LRA類(lèi)似，X軸LRA頻率響應(yīng)的Q值非常高，因此也需要Auto-F0 Tracking來(lái)完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率對(duì)LRA諧振頻率的追蹤。除此之外，由于X軸LRA振動(dòng)在X軸方向，具有更大的振動(dòng)幅度，因此需要更高的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓；另一方面，Smart PA集成了IVsense Feature可以檢測(cè)LRA的Back-EMF電壓[3]，通過(guò)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(dòng)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(diǎn)，針對(duì)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(jī)越來(lái)越薄，我們可以預(yù)見(jiàn)的是X軸LRA會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，以幫助用戶獲得更好的觸覺(jué)反饋體驗(yàn)。

審核編輯：郭婷