Haptics系统的工作原理和ERM/LRA的特点

Haptics系统通过触觉反馈来实现人机交互，用户通过点触屏幕即可完成短信、打字、游戏等各种应用，得益于其简单方便的交互体验，Haptics已经成为了智能手机、平板电脑中广泛应用的人机交互方式。

Introduction

针对不同的应用场景，手机厂家会设计不同的效果波形，当屏幕控制器感应到用户的某种Touch操作后，触发Processor生成一个对应的振动指令和驱动波形给Haptics Driver IC，Driver IC对驱动波形进行放大和修正后，驱动Actuator执行对应的振动效果。

Haptics系统主要由以下几部分组成：

Processor：终端设备的处理器，当Processor接收到触觉触发信号时，会生成对应的振动指令和振动效果波形发送给Haptics Driver IC，将振动指令和效果传达出去。

Haptics Driver Solution：Haptics驱动方案，对Processor产生的振动波形进行放大和修正后，驱动Actuator产生振动。针对不同的Actuator，Haptics Driver Solution有所不同，除了相应的Driver IC，还包括必要的软件或算法程序，下文将会展开介绍。

Actuator：振动发生器，是Haptics系统中最为关键的一环，生成振动效果反馈给用户，是将电能转换为机械能的过程。常用的Actuator通常可以分为三大类：偏心转子马达（Eccentric Rotating Mass: ERM）、压电马达（Piezo）、线性谐振马达（Linear Resonant Actuator: LRA），根据振动方向的不同，LRA又分为Z轴LRA和X轴LRA。由于Piezo采用特殊压电材料制成，价格相比ERM和LRA要昂贵许多，在终端设备中很少使用，本文不作讨论。

2. EMR

如图2所示，ERM主要由四个部分组成，图片最左侧的偏心转子质量块用于产生振动；右上方的磁铁、马达壳、螺钉和主轴承组成ERM的定子组件；中间的无芯绕组、转向器电机轴组成ERM的电枢组件；下方的端盖组件用于固定和连接。将ERM固定在终端设备上，即可将偏心转子旋转所产生的振动频率和强度传递给终端设备。

Figure 2, Eccentric Rotating Mass

ERM体积和重量都比较大，利用离心运动产生振动效果，震感比较强烈，并且振动频率可以从1Hz到300Hz，方案简单，价格低廉。

然而，ERM的构造决定了它的固有缺点：首先，ERM的驱动波形为DC波形，通常随着输入电压增大，ERM的振动增强，但由于ERM体积和重量都比较大，需要驱动电压大于一定值时，才能开始振动，因此相比于其他类型的Actuator，ERM的功耗通常较大；第二，ERM利用离心运动产生振动效果，振动响应速度慢，起震和停止的速度都比较慢，触觉体验不好。

针对ERM的特点，TI提供了多种Driver Solution，Driver芯片集成了Overdrive过载驱动和Brake刹车功能[2]，能够减小ERM的起震时间和停止时间，改进ERM的触觉反馈效果，如TI的DRV2603/DRV2604/DRV2605等Haptics Driver IC，具体设计方案可以参考DRV2605的Evaluation Kit。

3. LRA

LRA可以被认为是质量弹簧系统，该系统的质量系统在AC驱动信号的驱动下进行线性运动，产生所需的触觉反馈振动效果。不同于以DC电压进行驱动的ERM，LRA需要由AC信号驱动。若LRA在驱动信号作用下沿Z轴振动，即为Z轴LRA；若LRA在驱动信号作用下沿X轴振动，则为X轴LRA。相比ERM，LRA的体积更小，重量更轻，振动响应速度快，起震和停止的时间都很短，触觉反馈体验更加清脆。

图3为LRA系统的频率响应，组成LRA的质量弹簧系统是一个Q值很高的谐振系统，偏离谐振频率的频率响应急剧下降。如图3所示，LRA共振频率可能由于制造公差和环境因素等变化而变化。因此，为了达到最大的振动强度，需要确保其驱动频率始终能跟踪LRA的谐振频率点。

Figure 3, LRA Frequency Response

TI的Haptics Solution使用Auto-F0 Tracking算法检测LRA的谐振频率F0，使驱动信号的频率跟踪LRA的谐振频率F0，以实现LRA更好的振动效果。下面以TI针对Z轴LRA的Haptics Solution为例，介绍TI Haptics Solution使用的Auto-F0 Tracking算法如何工作。

3.1 Z轴LRA

如图4所示，Z轴LRA的主要由5部分组成：移动质量块、弹簧、音圈、磁铁以及端盖组件，通过音圈的电流在移动质量块上施加机械力使质量块上下移动，驱动LRA振动[1]。因为图4所示LRA在驱动信号作用下沿着Z轴方向振动，故称Z轴LRA。

Figure 4, Z-axis LRA

TI的 DRV260X系列Haptics Solution可以直接用于Z轴LRA，集成了LRA驱动所需的Auto-F0 Tracking算法。以图5所示的DRV2605为例，Auto-F0 Tracking是以Back-EMF检测模块为核心构成的闭环控制算法[2]。

Figure 5 DRV2605 Block Diagram

Auto-F0 Tracking的原理如下：Haptics Driver施加在LRA音圈的电流将在LRA内部质量块上产生机械力，驱动LRA线性振动，随着LRA内部质量块的移动，LRA音圈相对于磁场的移动也将产生反向电动势（Back-EMF），图5中DRV2605的Back-EMF模块将检测LRA产生的Back-EMF电压，根据Back-EMF电压与频率特性的对应关系可以确定LRA系统的谐振频率F0。

通过Auto-F0 Tracking得到的F0频率，一方面可以应用于驱动振动的波形频率，得到更有效的振动；另一方面，也可以直接应用于与驱动振动的信号反相的刹车信号，使振动停止非常迅速。这种Auto-F0 Vibration & Braking机制最终使Haptics系统得到清脆不拖沓的触觉反馈效果。针对Z轴LRA的Haptics Solution可以参考DRV2605， http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv2605.pdf。

3.2 X轴LRA

相比ERM，Z轴LRA的振动效果已经有很大提升，但是由于Z轴LRA振动方向沿着Z轴，即上下振动，在厚度比较薄的终端设备中，振动幅度受限，而X轴LRA则解决了这一限制。

如图6所示，X轴LRA一般为矩形，主要由5部分组成：移动质量块、音圈、磁铁、弹簧和端盖组件。弹簧连接在质量块的左右两侧，因此LRA振动在X平面，具有更大的振动空间，可以达到更大的振动幅度。

Figure 6, X-axis LRA

和Z轴LRA类似，X轴LRA频率响应的Q值非常高，因此也需要Auto-F0 Tracking来完成驱动信号频率对LRA谐振频率的追踪。除此之外，由于X轴LRA振动在X轴方向，具有更大的振动幅度，因此需要更高的驱动电压。

TI提供Smart Amp作为X轴LRA Haptics Driver的Solution。一方面，Smart PA内部集成了BOOST结构，能够提供X轴LRA需要的高驱动电压；另一方面，Smart PA集成了IVsense Feature可以检测LRA的Back-EMF电压[3]，通过图7所示的算法结构完成LRA谐振频率F0的追踪和驱动波形频率校准。

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

4.Summary

综上所述，本文详细介绍了Haptics系统的工作原理和ERM/LRA的特点，针对不同的Actuator，TI提供全方位的Haptics Solution，包括Haptics Driver IC和相应的Driver Algorithm。随着智能手机越来越薄，我们可以预见的是X轴LRA会得到越来越多的应用，以帮助用户获得更好的触觉反馈体验。

审核编辑：郭婷