發布日期：2022-04-28 點擊率：78
Other Parts Discussed in Post: DRV2603, DRV2604, DRV2605, TAS2562
作者：王云靜 HUAWEI Team AFAA， 封磊 HUAWEI Team FAE
Haptics系統通過觸覺反饋來實現人機交互，用戶通過點觸屏幕即可完成短信、打字、游戲等各種應用，得益于其簡單方便的交互體驗，Haptics已經成為了智能手機、平板電腦中廣泛應用的人機交互方式。
Introduction
圖1為Haptics系統的工作示意圖，針對不同的應用場景，手機廠家會設計不同的效果波形，當屏幕控制器感應到用戶的某種Touch操作后，觸發Processor生成一個對應的振動指令和驅動波形給Haptics Driver IC，Driver IC對驅動波形進行放大和修正后，驅動Actuator執行對應的振動效果。
Figure 1, Haptics System
Haptics系統主要由以下幾部分組成：
Processor：終端設備的處理器，當Processor接收到觸覺觸發信號時，會生成對應的振動指令和振動效果波形發送給Haptics Driver IC，將振動指令和效果傳達出去。
Haptics Driver Solution：Haptics驅動方案，對Processor產生的振動波形進行放大和修正后，驅動Actuator產生振動。針對不同的Actuator，Haptics Driver Solution有所不同，除了相應的Driver IC，還包括必要的軟件或算法程序，下文將會展開介紹。
Actuator：振動發生器，是Haptics系統中最為關鍵的一環，生成振動效果反饋給用戶，是將電能轉換為機械能的過程。常用的Actuator通常可以分為三大類：偏心轉子馬達（Eccentric Rotating Mass: ERM）、壓電馬達（Piezo）、線性諧振馬達（Linear Resonant Actuator: LRA），根據振動方向的不同，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，圖片最左側的偏心轉子質量塊用于產生振動；右上方的磁鐵、馬達殼、螺釘和主軸承組成ERM的定子組件；中間的無芯繞組、轉向器電機軸組成ERM的電樞組件；下方的端蓋組件用于固定和連接[1]。將ERM固定在終端設備上，即可將偏心轉子旋轉所產生的振動頻率和強度傳遞給終端設備。
Figure 2, Eccentric Rotating Mass
ERM體積和重量都比較大，利用離心運動產生振動效果，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的構造決定了它的固有缺點：首先，ERM的驅動波形為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利用離心運動產生振動效果，振動響應速度慢，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ERM的觸覺反饋效果，如TI的DRV2603/DRV2604/DRV2605等Haptics Driver IC，具體設計方案可以參考DRV2605的evaluation Kit， http://www.ti.com/lit/ug/slou389a/slou389a.pdf。
3. LRA
LRA可以被認為是質量彈簧系統，該系統的質量系統在AC驅動信號的驅動下進行線性運動，產生所需的觸覺反饋振動效果。不同于以DC電壓進行驅動的ERM，LRA需要由AC信號驅動。若LRA在驅動信號作用下沿Z軸振動，即為Z軸LRA；若LRA在驅動信號作用下沿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系統的頻率響應，組成LRA的質量彈簧系統是一個Q值很高的諧振系統，偏離諧振頻率的頻率響應急劇下降。如圖3所示，LRA共振頻率可能由于制造公差和環境因素等變化而變化。因此，為了達到最大的振動強度，需要確保其驅動頻率始終能跟蹤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，使驅動信號的頻率跟蹤LRA的諧振頻率F0，以實現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量塊上施加機械力使質量塊上下移動，驅動LRA振動[1]。因為圖4所示LRA在驅動信號作用下沿著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檢測模塊為核心構成的閉環控制算法[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內部質量塊上產生機械力，驅動LRA線性振動，隨著LRA內部質量塊的移動，LRA音圈相對于磁場的移動也將產生反向電動勢（Back-EMF），圖5中DRV2605的Back-EMF模塊將檢測LRA產生的Back-EMF電壓，根據Back-EMF電壓與頻率特性的對應關系可以確定LRA系統的諧振頻率F0。
通過Auto-F0 Tracking得到的F0頻率，一方面可以應用于驅動振動的波形頻率，得到更有效的振動；另一方面，也可以直接應用于與驅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：移動質量塊、音圈、磁鐵、彈簧和端蓋組件。彈簧連接在質量塊的左右兩側，因此LRA振動在X平面，具有更大的振動空間，可以達到更大的振動幅度。
Figure 6, X-axis LRA
和Z軸LRA類似，X軸LRA頻率響應的Q值非常高，因此也需要Auto-F0 Tracking來完成驅動信號頻率對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，因此需要更高的驅動電壓。
TI提供Smart Amp作為X軸LRA Haptics Driver的Solution。一方面，Smart PA內部集成了BOOST結構，能夠提供X軸LRA需要的高驅動電壓；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所示的算法結構完成LRA諧振頻率F0的追蹤和驅動波形頻率校準。詳細設計請參考TAS2562，http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tas2562.pdf。
Figure 7, Auto-F0 tracking for X-axis LRA
4.Summary
綜上所述，本文詳細介紹了Haptics系統的工作原理和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和相應的Driver Algorithm。隨著智能手機越來越薄，我們可以預見的是X軸LRA會得到越來越多的應用，以幫助用戶獲得更好的觸覺反饋體驗。
5. Reference
[1] Actuator technology – https://training.ti.com/linear-resonant-actuator-lra-technology?cu=1127789
[2] DRV2605 datasheet – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv2605.pdf
[3] TAS2562 datasheet – http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tas2562.pdf
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