harmony系统的特点（harq原理）

Haptics系统通过触觉反馈实现人机交互。用户可以通过触摸屏幕完成短信、打字、游戏等各种应用。凭借其简单便捷的交互体验，Haptics 已成为智能手机和平板电脑中广泛使用的系统。应用的人机交互方法。

介绍

针对不同的应用场景，手机厂商会设计不同的效果波形。当屏幕控制器感应到用户的某种触摸操作时，它会触发处理器产生相应的振动命令并驱动波形到触觉驱动IC。驱动器IC 控制驱动波形。经过放大和校正后，驱动执行器执行相应的振动效果。

Haptics系统主要由以下部分组成：

处理器：终端设备的处理器。当处理器接收到触觉触发信号时，会产生相应的振动命令和振动效果波形，并将其发送到触觉驱动器IC以传达振动命令和效果。

触觉驱动解决方案：触觉驱动解决方案放大并校正处理器产生的振动波形，然后驱动执行器产生振动。对于不同的执行器，触觉驱动器解决方案是不同的。除了相应的驱动IC外，还包括必要的软件或算法程序，下面将介绍。

执行器：振动发生器是触觉系统中最关键的环节。它产生振动效果并将其反馈给用户。它是将电能转化为机械能的过程。常用的执行器通常可分为三类：偏心旋转Mass: ERM）、压电电机（Piezo）和线性谐振执行器： LRA。根据振动方向的不同，LRA分为Z轴LRA和X轴LRA。由于Piezo是由特殊的压电材料制成，因此它比ERM和LRA贵得多。在终端设备中很少使用，本文不予讨论。

2.电子病历

如图2所示，ERM主要由四部分组成。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、电机外壳、螺钉和主轴承构成了ERM的定子组件；中间的无芯绕线和转向器电机轴构成了ERM的电枢组件；下面的端盖组件用于固定连接。通过将ERM固定在终端设备上，可以将偏心转子旋转产生的振动频率和强度传输到终端设备。

图2，偏心旋转质量

ERM的尺寸和重量都比较大。它利用离心运动产生振动效果。振动比较强烈，振动频率可以从1Hz到300Hz。该解决方案简单且价格低廉。

然而，ERM的结构决定了其固有的缺点：首先，ERM的驱动波形是直流波形。通常，随着输入电压的增加，ERM 的振动也会增加。然而，由于ERM的尺寸和重量较大，驱动电压需要大于一定水平。达到该值后才会开始振动，因此与其他类型的Actuator相比，ERM的功耗通常较大；其次，ERM采用离心运动产生振动作用，振动响应速度慢，振动启动和停止的速度也比较慢。触觉体验不太好。

针对ERM的特点，TI提供了多种驱动解决方案。 Driver芯片集成了Overdrive和Brake功能[2]，可以减少ERM的启动和停止时间，提高ERM的触觉反馈效果，例如TI的For Haptics Driver IC如DRV2603/DRV2604/DRV2605，请参考DRV2605 评估套件适用于特定设计解决方案。

3.上帝抵抗军

LRA 可以被认为是一个质量弹簧系统，其质量系统由交流驱动信号驱动线性移动，产生所需的触觉反馈振动效果。与由直流电压驱动的ERM 不同，LRA 需要由交流信号驱动。如果LRA在驱动信号作用下沿Z轴振动，则为Z轴LRA；如果LRA在驱动信号的作用下沿X轴振动，则为X轴LRA。与ERM相比，LRA体积更小，重量更轻，振动响应更快，启停时间更短，触觉反馈体验更清脆。

图3 显示了LRA 系统的频率响应。构成LRA的质量弹簧系统是一个具有高Q值的谐振系统。偏离谐振频率的频率响应急剧下降。如图3 所示，LRA 谐振频率可能会因制造公差和环境因素的变化而变化。因此，为了达到最大的振动强度，需要保证其驱动频率能够始终跟踪LRA的谐振频率点。

图3，LRA 频率响应

TI的Haptics解决方案采用Auto-F0 Tracking算法来检测LRA的谐振频率F0，从而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的Z轴LRA Haptics解决方案为例，介绍TI Haptics解决方案所使用的Auto-F0 Tracking算法的工作原理。

3.1 Z轴LRA

如图4所示，Z轴LRA主要由5个部分组成：移动质量块、弹簧、音圈、磁铁和端盖组件。通过音圈的电流对移动质量块施加机械力，使质量块上下移动。驱动LRA振动[1]。由于图4所示的LRA在驱动信号的作用下沿Z轴方向振动，因此称为Z轴LRA。

图4，Z轴LRA

TI 的DRV260X 系列触觉解决方案可直接用于Z 轴LRA，并集成了LRA 驱动所需的Auto-F0 跟踪算法。以图5所示的DRV2605为例，Auto-F0 Tracking是一种以反电动势检测模块为核心的闭环控制算法[2]。

图5 DRV2605 框图

Auto-F0 Tracking 的原理如下： Haptics Driver 向LRA 音圈施加电流，会对LRA 内部质量块产生机械力，驱动LRA 进行线性振动。当LRA 内部质量块移动时，LRA 音圈相对于磁场移动。也会产生反电动势（Back-EMF）。图5 中DRV2605 的反电动势模块将检测LRA 生成的反电动势电压。根据反电动势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。

通过自动F0跟踪获得的F0频率可以应用于驱动振动的波形频率，以获得更有效的振动；另一方面，也可以直接施加与驱动振动信号反相的制动信号来停止振动。非常快。这种Auto-F0 振动制动机制最终为Haptics 系统提供了清脆且不迟缓的触觉反馈效果。有关Z 轴LRA 的触觉解决方案，请参阅DRV2605、http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv2605.pdf。

3.2 X轴LRA

与ERM相比，Z轴LRA的振动效果有了很大的改善。但由于Z轴LRA的振动方向是沿着Z轴，即上下振动，因此在薄型终端设备中振动幅度受到限制，而X轴LRA则解决了这一限制。

如图6所示，X轴LRA总体呈矩形，主要由移动质量块、音圈、磁铁、弹簧和端盖组件5部分组成。弹簧连接在质量块的左右两侧，因此LRA在X平面内振动，具有较大的振动空间，可以实现较大的振动幅度。

图6，X轴LRA

与Z轴LRA类似，X轴LRA的频率响应Q值非常高，因此也需要Auto-F0 Tracking来完成驱动信号频率到LRA谐振频率的跟踪。另外，由于X轴LRA在X轴方向振动且振动幅度较大，因此需要较高的驱动电压。

TI 提供Smart Amp 作为X 轴LRA 触觉驱动器的解决方案。一方面，Smart PA集成了BOOST结构，可以提供X轴LRA所需的高驱动电压；另一方面，Smart PA 集成了IVsense 功能来检测LRA 的反电动势电压[3]。该算法结构完成了LRA谐振频率F0的跟踪和驱动波形频率校准。

图7，X 轴LRA 的自动F0 跟踪

4.总结

综上所述，本文详细介绍了Haptics系统的工作原理以及ERM/LRA的特点。针对不同的执行器，TI 提供全系列的触觉解决方案，包括触觉驱动器IC 和相应的驱动器算法。随着智能手机变得越来越轻薄，我们可以预见X轴LRA将会越来越多地被使用，以帮助用户获得更好的触觉反馈体验。

审稿编辑：郭婷