手机振动器的控制设计与实现

论文总字数：19116字

目 录

第1章 绪论………………………………………………………………1

1.1 课题研究的目的及意义…………………………………………………………………1

1.2 国内外的研究现状及发展………………………………………………………………1

1.3 课题的主要内容及目标…………………………………………………………………2

第2章 手机振动器的基本构造和工作原理……………………………3

2.1 常见手机振动器的分类…………………………………………………………………3

2.2 偏心转子振动器…………………………………………………………………………3

2.3 线性共振振动器…………………………………………………………………………4

2.4 常见引线接口方案的选取………………………………………………………………5

2.5 常见固定方式选取………………………………………………………………………7

第3章 手机振动器的驱动与控制电路设计……………………………9

3.1 手机电池及内部电磁干扰问题的解决方案……………………………………………9

3.2 模拟驱动偏心转子振动器工作……………………………………………………… 10

3.2.1 驱动电路的设计…………………………………………………………………10

3.2.2 控制信号的产生…………………………………………………………………11

3.2.3 工作状态的模拟…………………………………………………………………16

3.3 模拟驱动线性共振振动器工作…………………………………………………………19

3.3.1 线性振动器的工作等效电路分析………………………………………………19

3.3.2 模拟线性振动器震波工作状态…………………………………………………20

第4章 结论…………………………………………………………… 23

致谢………………………………………………………………………24

参考文献…………………………………………………………………25

附录………………………………………………………………………26

手机振动器的控制设计与实现

沈金海

, China

Abstract: Now almost every device has the ability to produce vibration alerts and the field of haptic feedback is rapidly moving forward. The mobile phone industry is a huge market, in which vibration are an established component. In this study we outline some of the common problems cell phone manufacturers face and the electrical best practices to overcome them. In the second chapter, we introduce the basic structure and working principle of both ERM and LRA, and then in the third chapter, we design driving circuit and create PWM control signal for both ERM and LRA. And we can control the working voltage of vibrator and output amplitude by changing the duty circuit of PWM signal. In the fourth chapter, we discuss several installation methods for vibrators and introduce several widely used ways of securing vibration motor leads and wires. In the final conclusion, we list some deficiencies in this study, which need for further research and improvement. We hope through our study, you will have a clear understanding for the working principle and control of vibrators.

Key words: Eccentric Rotating Mass vibration motor Linear Resonant Actuators

Pulse Width Modulation

1. 绪论
   1. 课题研究的目的及意义

作为高新科技迅猛发展的产物，手机正以一种势不可挡的姿态风靡全球，成为我们日常生活中必不可少的物品。与此同时，随着电子技术的不断创新与发展，手机的功能也变得越来越强大 ，其体积与质量在不断地减小，变得更加智能化、便捷化。

另一方面，伴着如今各种手机应用的丰富，用户对使用体验的要求也在不断提高，传统的手机反馈已经不能满足手机用户的需求，例如，在会议室里开会时，用户不希望自己的手机发出声响；在游戏及其它应用情境中，用户希望按不同的按键时会有不同的触觉感受。传统的声音反馈产生提示音需要手机开启整个音频和功放电路系统，会产生较大的功耗，影响电池的续航能力[7]。因此，振动触觉反馈技术正被越来越多的手机产家所应用，而振动触觉反馈技术背后的核心器件便是手机振动器，或称微型振动电机。

进口微型振动电机在国内的应用限制和问题比较多，首先是维修的问题，由于国内微型电机技术的不成熟，生产的零件精度的不达标，一旦出现问题，只能更换整机；再则因为技术和性能的差异，微型振动电机使用过程中出现的问题在国内并不能得到完善的解决[6]。可见，国内微型振动电机行业的发展与国外还是有相当大的差距的。因此，只有彻底了解微型振动器的工作原理及驱动方法，汲取外来技术转为我用，研发本国的产品，才能真正在未来的微型振动电机行业拥有一席之地。

1.2 国内外的发展历史及研究现状

目前，全球生产微型振动电机的企业有20家以上，主要为日韩企业，其中具有代表性的企业有三洋电机株式会社、日本电产科宝电子株式会社型及韩国的三星电机、LG电子[5]。中国国内也有一小部分电机产商正在进行微型振动器的研发与生产，其中较有代表性的企业为金龙电机，金龙电机在整个国际通讯市场上具有一定的知名度，已成功进入国内外众多知名厂商的供应链。

但是，国内的微型振动器行业的技术得不到共享，技术发展缓慢，再加上国外进口微型振动器在国内的使用限制较多，其先进的原理和技术得不到沟通，这些都导致了国内微型振动器行业得不到高效的发展。

在未来的微型振动电机领域，高性能及自带控制系统的精密型振动电机将起主导作用，常规的微型振动电机层次结构差，其产生的自毁性振动容易导致功能的退化，直接影响它们的使用时间和性能的发挥。创造新产品，走高端路线，才是未来微型振动电机的研发是重中之重。

现如今，谈及手机振动器我们就会想到如今热门一种技术：触觉反馈技术，它将智能手机、触屏设备等各种移动电子产品的用户体验提升到了一个新的高度。其实振动反馈技术很早就已经被应用在各种场合，但是当它在我们的移动电子设备中应用时间还是非常短的。

最初传统的功能机只具备最简单的振动功能，当我们的手机处于静音模式或者是振动模式时，通过最简单的振动来产生一种“提醒”。当然，这是市场上最古老也是最成熟的触觉反馈技术，而这种振动则是由偏心转子振动器产生的。但是，随着电子科技的不断发展，这种简单的振动模式已经完全不能满足用户的要求，正是由于糟糕的用户体验，一些手持型电子设备厂商开始寻求和研发新的技术[4]。

于是乎线性共振振动器孕育而生。除了在频率上没有了可变性，我们还是可以通过对输入信号的幅度调整来产生不同的触觉感受，线性共振振动器的输入波形相当丰富，这一点是传统的偏心转子振动器无法达到的。同时，在控制响应时间上，线性振动器也要强于传统振动马达，它们为用户在短时间内的每一个按键操作提供触觉反馈。就是因为这些优越性，线性共振振动器目前正被越来越普遍地适用于手机触觉反馈技术中，同时也会成为将来移动电子设备中的主力军。

但是还有一种非马达型的振动器，它的响应时间相比于线性振动器更快，而且更加高效，这种理想的振动器就是压电式传动器[12]。其实压电技术并非顶尖科技，它已经存在了几十年，但是由于移动电子设备中应用遇到的一些问题，导致其控制技术尚未完全成熟，所以本课题将不会介绍这种技术。压电技术目前的手机触觉反馈领域还未开始普及，但是随着研究的深入，我们有理由相信，凭借其在各个方面的优势，定会在将来的移动电子终端大放异彩。

1.3 课题的主要内容及目标

本课题主要分析目前市面上应用最为广泛的两种手机振动器：偏心转子马达与线性共振振动器。通过对手机内部条件的分析，解决它们在使用过程中所遇到的电池问题及电磁干扰问题。在设计与完善控制电路的同时，通过编写单片机的驱动程序产生控制信号，从而模拟振动器的工作状态，通过对输入信号和输出信号的对比与监控，来验证驱动方式的合理性与有效性。

此外，本课题还提出其在设计、控制及安装过程中常见问题的解决方案。希望通过本课题对振动器的工作原理、驱动控制及性能指标的逐一分析，大家对手机振动功能的实现会有较为清晰的了解。

第2章 手机振动器的基本构造和工作原理

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