偏心旋转质量 (ERM) 技术

大家好，欢迎 观看本期执行器

培训，我们 将介绍偏心旋转

质量执行器，即 ERM。

我叫 David Shumate，我将

主持本次培训，感谢

德州仪器 (TI) 音频 和执行器团队的支持。

我们将主要介绍如何 发挥扬声器和执行器的

最佳性能。

ERM 是最简单的 执行器。

它由一个普通直流 电机组成，且在电机轴上

连接了不平衡质量。

不同的振动 频率和强度

是以不同的速度 旋转偏移质量来生成的。

ERM 被固定 到终端器件上，

以便将振动 传递给它。

ERM 具有两种 不同的外形。

最常见的是条形，

这将是本演示 剩余部分的重点。

若需要更紧凑的解决方案， 还有一种硬币样式。

两种解决方案 工作原理相同，

但是从右侧的拆解图 可以看出，

制造方式差别很大。

ERM 解决方案与其他执行器 解决方案相比，

有少数规格

尤其重要。

ERM 的输入 是直流电压。

通常随着输入 电压的增加，

振动强度会增大。

在移动应用 中正常使用时，

ERM 将需要大约 10% 的电池电量。

最后，振动频率可以

从 1 赫兹 到 300 赫兹不等，

ERM 大约需要 40 到 80 毫秒

来响应电压变化。

结合器件规格来看，

ERM 与其他执行器相比，

有一些优点和缺点。

如果您希望添加 最基本的触觉效果，

ERM 解决方案 是最佳选择，

因为它不但最简单，

而且最具成本效益， 同时仍能

对器件产生强烈振动。

然而，ERM 并不是 非常节能的

最佳解决方案， 也不是

需要复杂而精确的 波形的解决方案。

有关功效， 请参阅 LRA 执行器。

有关精度，请参阅 CPA 的执行器。

接下来的几张幻灯片 将从物理角度介绍 ERM。

我将介绍如何 在 ERM 中产生振动，

直流电机的工作原理 以及如何对整个系统

数学建模。

为了开始思考 振动是如何产生的，

请想象一名田径运动员 掷链球、转圈圈。

为了防止链球飞走，

运动员必须向内用力。

当向内拉链球时， 一个相等的

反作用力会施加在 运动员身上，

他被链球向外拉。

ERM 的偏移质量 工作原理与

链球运动员相同。

随着重物旋转， 电机的轴

拉住重物并防止 它从系统中飞出。

在重物被向内拉 的同时，

电机和它所连接的 系统

被向外的反作用力拉。

器件在每个方向上 被依次拉动，

每秒数百次，

可感觉到振动，并且 可作为加速度

进行测量和计算。

现在，我们已经了解了 系统振动的原理。

让我们看看 直流电机的工作原理吧！

它实际上就是 使质量旋转。

直流电机的简单表示

可以用一个电池、

两个磁极相反的磁体 和一个单线圈来建模。

正如力公式所示，

电流流经磁场中的 单线圈时，

磁力在线圈上

产生扭矩，从而

转动直流电机和 连接到轴上的质量。

线圈上的力随着

流动电流与磁场之间的 夹角而变化。

当夹角是直角时， 会发现力最大。

当线圈处于垂直 位置时，线圈被切割。

因此没有电流流动， 也没有力，

但由于惯性， 它会继续旋转。

穿过垂直角度后， 线圈的两侧发生翻转，

但力仍保持 相同的方向。

在实际的直流电机中， 有多个线圈绕组，

以更大限度增大扭矩。

随着间隔均匀的 线圈增多，

所有线圈上的合力 不再取决于角度，

并可建模为 输入电流的

常数倍。

随着线圈在 磁场中旋转，

根据法拉第定律， 会产生反电动势，

与角速度成正比， 我们将看到

建模如反馈一样。

了解直流电机的 工作原理后，

我们现在可以 计算出

ERM 输入电压与

与整个系统 加速度的关系。

在电气领域， 输入电压

通过直流电机的线圈 电阻和电感来观测。

正如在前一张幻灯片中 所讨论的，

随着角速度的增加， 反电动势电压

也增加。

要从电气领域 转换到力学领域，

来自直流 电机轴的扭矩

与输入电流成正比，系数为

常数 KT。

在力学领域，扭矩

等于角加速度乘以

负载惯性矩 J 减去

摩擦力。

然后，可使用该值来 求解角速度。

要查找系统的 最终加速度，

我们可以将 偏移重物的质量

乘以其质心的半径，

然后将结果除以 ERM 连接的

系统的质量。

为了更好地理解 系统在数学上

如何搭配工作，我们可以 使用一个状态空间模型，

展示我们如何从 输入电压开始，

找到感觉到的 加速度或振动。

离开数学理论，

我们现在可以 从应用角度

来讨论如何 驱动 ERM。

为了从 ERM 获得更大范围 和更好的效果，

最好差速驱动 两个

端子。

使用触觉 IC， 这可以自动实现，

只需为 IC 提供数字 I²C

或 PWN 信号。

此外，请务必注意的是，

ERM 的振动频率 与角速度

成正比。

正如我们在 数学上看到的，

这完全取决于 输入电压。

这最终意味着 振动幅度

和频率不能 单独变化。

为了获得 ERM 更精确的波形，

我们可以利用超速驱动 和反向驱动功能

来启动和制动。

超速驱动可以最大程度 缩短 ERM 的启动时间。

为此，要使用 更高的电压，

直到电机以所需的

幅度和频率旋转。

然后电压降至 所需的电压

来维持这种振动。

为了尽快停止 ERM，

可以反向驱动 ERM。

要反向驱动 ERM， 需要

在 ERM 端子上 施加差分电压。

电压极性切换，

这会减慢 ERM 转速， 因为它现在

正尝试以 相反的方向驱动。

结合使用超速驱动 和反向制动

可实现尽可能清楚和 精确的波形。

为了自动校准 超速驱动和反向

驱动电压及运行 时间，可以使用

闭环反馈。

闭环系统监控 反电动势电压，

以根据角速度 确定振动的

频率和幅度。

利用此信息， ERM 可以

使用绝对最小的启动和 稳定时间

驱动。

在开环系统中， 每个 ERM

必须经过预先测试 和表征，

才能计算超速驱动

和反向驱动 电压及时间。

这样工作会更加繁忙， 结果仍然不会

与闭环系统看到的 结果匹配。

上一张幻灯片显示了 一个真实的比较，

是具有闭环反馈的系统 与没有闭环反馈的系统

之间的比较。

蓝色信号显示 输出波形，

而黄色和粉色信号 显示差分

电压。

如此处所示， 来自闭环系统的

超速驱动电压 可生成

启动时间 快得多的波形。

闭环系统还可以 几乎瞬间停止或

中断波形， 而开环系统则需要

过一些时间才能中断。

务必注意，若要

利用超速驱动和 反向中断等作用，

必须以差分方式 驱动 ERM。

这意味着不需要接地，

ERM 的任一侧均可 设置为高电压或低电压。

ERM 和触觉基本上 可以添加到

您可以触摸或 接触到任何东西。

这包括 个人电子产品、

汽车信息娱乐系统 和可穿戴设备。

它可用于提供警报， 或与用户通信。

它甚至可以用来 模拟任何表面上

机械按钮的感觉。

这意味着您可以完全 去除笨重的

机械按钮。

今天我们介绍了 ERM， 首先了解了基础知识，

然后从物理和数学上 深入研究了

它的工作方式。

最后，我们介绍了 从应用角度

使用 ERM 的 不同方法。

希望这次培训 帮助您更好地

理解偏心旋转 质量技术。

要查看 ERM 和触觉 解决方案，请参阅

ti.com/haptics 下的网页。

如有任何问题，请联系 您当地的销售人员

或音频和执行器 业务部门的

人员。

谢谢观看。

大家好，欢迎 观看本期执行器

培训，我们 将介绍偏心旋转

质量执行器，即 ERM。

我叫 David Shumate，我将

主持本次培训，感谢

德州仪器 (TI) 音频 和执行器团队的支持。

我们将主要介绍如何 发挥扬声器和执行器的

最佳性能。

ERM 是最简单的 执行器。

它由一个普通直流 电机组成，且在电机轴上

连接了不平衡质量。

不同的振动 频率和强度

是以不同的速度 旋转偏移质量来生成的。

ERM 被固定 到终端器件上，

以便将振动 传递给它。

ERM 具有两种 不同的外形。

最常见的是条形，

这将是本演示 剩余部分的重点。

若需要更紧凑的解决方案， 还有一种硬币样式。

两种解决方案 工作原理相同，

但是从右侧的拆解图 可以看出，

制造方式差别很大。

ERM 解决方案与其他执行器 解决方案相比，

有少数规格

尤其重要。

ERM 的输入 是直流电压。

通常随着输入 电压的增加，

振动强度会增大。

在移动应用 中正常使用时，

ERM 将需要大约 10% 的电池电量。

最后，振动频率可以

从 1 赫兹 到 300 赫兹不等，

ERM 大约需要 40 到 80 毫秒

来响应电压变化。

结合器件规格来看，

ERM 与其他执行器相比，

有一些优点和缺点。

如果您希望添加 最基本的触觉效果，

ERM 解决方案 是最佳选择，

因为它不但最简单，

而且最具成本效益， 同时仍能

对器件产生强烈振动。

然而，ERM 并不是 非常节能的

最佳解决方案， 也不是

需要复杂而精确的 波形的解决方案。

有关功效， 请参阅 LRA 执行器。

有关精度，请参阅 CPA 的执行器。

接下来的几张幻灯片 将从物理角度介绍 ERM。

我将介绍如何 在 ERM 中产生振动，

直流电机的工作原理 以及如何对整个系统

数学建模。

为了开始思考 振动是如何产生的，

请想象一名田径运动员 掷链球、转圈圈。

为了防止链球飞走，

运动员必须向内用力。

当向内拉链球时， 一个相等的

反作用力会施加在 运动员身上，

他被链球向外拉。

ERM 的偏移质量 工作原理与

链球运动员相同。

随着重物旋转， 电机的轴

拉住重物并防止 它从系统中飞出。

在重物被向内拉 的同时，

电机和它所连接的 系统

被向外的反作用力拉。

器件在每个方向上 被依次拉动，

每秒数百次，

可感觉到振动，并且 可作为加速度

进行测量和计算。

现在，我们已经了解了 系统振动的原理。

让我们看看 直流电机的工作原理吧！

它实际上就是 使质量旋转。

直流电机的简单表示

可以用一个电池、

两个磁极相反的磁体 和一个单线圈来建模。

正如力公式所示，

电流流经磁场中的 单线圈时，

磁力在线圈上

产生扭矩，从而

转动直流电机和 连接到轴上的质量。

线圈上的力随着

流动电流与磁场之间的 夹角而变化。

当夹角是直角时， 会发现力最大。

当线圈处于垂直 位置时，线圈被切割。

因此没有电流流动， 也没有力，

但由于惯性， 它会继续旋转。

穿过垂直角度后， 线圈的两侧发生翻转，

但力仍保持 相同的方向。

在实际的直流电机中， 有多个线圈绕组，

以更大限度增大扭矩。

随着间隔均匀的 线圈增多，

所有线圈上的合力 不再取决于角度，

并可建模为 输入电流的

常数倍。

随着线圈在 磁场中旋转，

根据法拉第定律， 会产生反电动势，

与角速度成正比， 我们将看到

建模如反馈一样。

了解直流电机的 工作原理后，

我们现在可以 计算出

ERM 输入电压与

与整个系统 加速度的关系。

在电气领域， 输入电压

通过直流电机的线圈 电阻和电感来观测。

正如在前一张幻灯片中 所讨论的，

随着角速度的增加， 反电动势电压

也增加。

要从电气领域 转换到力学领域，

来自直流 电机轴的扭矩

与输入电流成正比，系数为

常数 KT。

在力学领域，扭矩

等于角加速度乘以

负载惯性矩 J 减去

摩擦力。

然后，可使用该值来 求解角速度。

要查找系统的 最终加速度，

我们可以将 偏移重物的质量

乘以其质心的半径，

然后将结果除以 ERM 连接的

系统的质量。

为了更好地理解 系统在数学上

如何搭配工作，我们可以 使用一个状态空间模型，

展示我们如何从 输入电压开始，

找到感觉到的 加速度或振动。

离开数学理论，

我们现在可以 从应用角度

来讨论如何 驱动 ERM。

为了从 ERM 获得更大范围 和更好的效果，

最好差速驱动 两个

端子。

使用触觉 IC， 这可以自动实现，

只需为 IC 提供数字 I²C

或 PWN 信号。

此外，请务必注意的是，

ERM 的振动频率 与角速度

成正比。

正如我们在 数学上看到的，

这完全取决于 输入电压。

这最终意味着 振动幅度

和频率不能 单独变化。

为了获得 ERM 更精确的波形，

我们可以利用超速驱动 和反向驱动功能

来启动和制动。

超速驱动可以最大程度 缩短 ERM 的启动时间。

为此，要使用 更高的电压，

直到电机以所需的

幅度和频率旋转。

然后电压降至 所需的电压

来维持这种振动。

为了尽快停止 ERM，

可以反向驱动 ERM。

要反向驱动 ERM， 需要

在 ERM 端子上 施加差分电压。

电压极性切换，

这会减慢 ERM 转速， 因为它现在

正尝试以 相反的方向驱动。

结合使用超速驱动 和反向制动

可实现尽可能清楚和 精确的波形。

为了自动校准 超速驱动和反向

驱动电压及运行 时间，可以使用

闭环反馈。

闭环系统监控 反电动势电压，

以根据角速度 确定振动的

频率和幅度。

利用此信息， ERM 可以

使用绝对最小的启动和 稳定时间

驱动。

在开环系统中， 每个 ERM

必须经过预先测试 和表征，

才能计算超速驱动

和反向驱动 电压及时间。

这样工作会更加繁忙， 结果仍然不会

与闭环系统看到的 结果匹配。

上一张幻灯片显示了 一个真实的比较，

是具有闭环反馈的系统 与没有闭环反馈的系统

之间的比较。

蓝色信号显示 输出波形，

而黄色和粉色信号 显示差分

电压。

如此处所示， 来自闭环系统的

超速驱动电压 可生成

启动时间 快得多的波形。

闭环系统还可以 几乎瞬间停止或

中断波形， 而开环系统则需要

过一些时间才能中断。

务必注意，若要

利用超速驱动和 反向中断等作用，

必须以差分方式 驱动 ERM。

这意味着不需要接地，

ERM 的任一侧均可 设置为高电压或低电压。

ERM 和触觉基本上 可以添加到

您可以触摸或 接触到任何东西。

这包括 个人电子产品、

汽车信息娱乐系统 和可穿戴设备。

它可用于提供警报， 或与用户通信。

它甚至可以用来 模拟任何表面上

机械按钮的感觉。

这意味着您可以完全 去除笨重的

机械按钮。

今天我们介绍了 ERM， 首先了解了基础知识，

然后从物理和数学上 深入研究了

它的工作方式。

最后，我们介绍了 从应用角度

使用 ERM 的 不同方法。

希望这次培训 帮助您更好地

理解偏心旋转 质量技术。

要查看 ERM 和触觉 解决方案，请参阅

ti.com/haptics 下的网页。

如有任何问题，请联系 您当地的销售人员

或音频和执行器 业务部门的

人员。

谢谢观看。