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。
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