【技術(shù)帖】馬達(dá)性能和振動(dòng)觸覺指標(biāo)介紹

LRA（Linear Resonance Actuator，線性諧振執(zhí)行器）是目前廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)的一種線性馬達(dá)電機(jī)。線性馬達(dá)其系統(tǒng)架構(gòu)如下。

圖1：X軸線性馬達(dá)示意及實(shí)物圖

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性馬達(dá)的架構(gòu)主要包括振動(dòng)系統(tǒng)，磁路系統(tǒng)以及支撐系統(tǒng)三大模塊，每個(gè)模塊又由若干組件構(gòu)成。振動(dòng)系統(tǒng)為馬達(dá)振動(dòng)力的產(chǎn)生傳遞提供硬件條件，磁路系統(tǒng)為系統(tǒng)提供磁場(chǎng)，支撐系統(tǒng)是馬達(dá)的結(jié)構(gòu)框架。

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)具有導(dǎo)通電流的導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)受到力的作用。其方向符合左手定則，力與電流、磁場(chǎng)方向互相垂直，受力大小與電流、導(dǎo)線長(zhǎng)度、磁通密度成正比。線性馬達(dá)就是根據(jù)這個(gè)原理，把線圈（導(dǎo)體）置于一個(gè)磁場(chǎng)中并向其輸入交變的電流，線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生交變力推動(dòng)質(zhì)量塊（內(nèi)含磁鐵）進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

線性馬達(dá)性能是電學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等物理參數(shù)共同作用的結(jié)果，由振子、彈波、線圈、磁路等關(guān)鍵零部件的性能共同確定，其中一些參數(shù)相互制約相互影響，因而在線性馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮，以求達(dá)到最佳的振動(dòng)效果。本文主要介紹評(píng)判LRA性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1? LRA性能和振動(dòng)觸覺指標(biāo)總覽

下面將逐一解釋每個(gè)性能指標(biāo)的具體含義及測(cè)試方法。

01 諧振頻率

線性馬達(dá)系統(tǒng)的諧振頻率計(jì)算公式為f0=，k為彈簧的勁度系數(shù)，md為振子質(zhì)量。

下面是f0的兩種測(cè)試方法：

諧振頻率——掃頻f0：LRA為交流電驅(qū)動(dòng)，通電的線圈在磁場(chǎng)中受安培力，從而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)振動(dòng)。交流電的電壓和頻率是影響馬達(dá)振動(dòng)強(qiáng)度的兩大因素，一般通過改變頻率來改變馬達(dá)振感進(jìn)而匹配不同的手機(jī)使用場(chǎng)景。下圖是一個(gè)典型的LRA頻響曲線。即在額定電壓下，給馬達(dá)輸入不同頻率的電壓激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量獲得不同頻率下的運(yùn)動(dòng)加速度（實(shí)驗(yàn)室更容易獲取加速度值，因此將其作為馬達(dá)運(yùn)動(dòng)情況的反映），對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到頻響曲線。計(jì)算最大振動(dòng)量時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為諧振頻率f0，如下圖示例，馬達(dá)掃頻f0=171.1Hz。

圖2：幅頻響應(yīng)曲線

諧振頻率——余振f0：在額定電壓下，給馬達(dá)輸入指定頻率和時(shí)長(zhǎng)的電壓激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量激勵(lì)結(jié)束后的加速度(電流、BEMF)，從而得出余振f0。

圖3：f0測(cè)試示意圖

02 振動(dòng)量

振動(dòng)量——穩(wěn)態(tài)Grms：采用額定電壓、f0單頻信號(hào)激勵(lì)馬達(dá)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)加速度，計(jì)算其穩(wěn)態(tài)時(shí)的加速度有效值即為振動(dòng)量Grms。

公式：

振動(dòng)量——瞬態(tài)GPP：采用最強(qiáng)短振信號(hào)激勵(lì)馬達(dá)，測(cè)量其加速度acc，計(jì)算其峰峰值即為瞬態(tài)GPP。

公式：GPP=max?(acc)-min?(acc) ,
如示例，GPP≈ 2g， Grms=0.71g 。

圖4：穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)振動(dòng)示意圖

03 品質(zhì)因數(shù)：Qts、Qes、Qms

品質(zhì)因數(shù)表示振子阻尼性質(zhì)，Qts值可以通過諧振頻率相對(duì)于帶寬大小來計(jì)算得到。

公式：

其中，

電氣品質(zhì)因數(shù)Qes表征電壓放大器的有效阻尼。
機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qms表征機(jī)械的有效阻尼。

04 直流電阻

Rdc：通過萬(wàn)用表測(cè)量馬達(dá)兩端電阻可得直流內(nèi)阻值。

05 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間——RT：使用f0頻率、額定電壓激勵(lì)馬達(dá)，RT指從激勵(lì)開始到達(dá)指定振動(dòng)量所需要的時(shí)間，例如RT(0-90%)：振動(dòng)量從0到峰值90%的時(shí)間, RT(0-50%)：振動(dòng)量從0到峰值50%的時(shí)間。

如示例， RT(0-90%) = 96ms， RT(0-50%) = 26ms.

圖5：穩(wěn)態(tài)上升時(shí)間示例

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間——FT：使用f0頻率、額定電壓激勵(lì)馬達(dá)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后停止激勵(lì)，F(xiàn)T是從激勵(lì)結(jié)束后到達(dá)指定振動(dòng)量所需要的時(shí)間，例如FT(100%-10%)：振動(dòng)量從峰值降到10%的時(shí)間，F(xiàn)T(100%-50%)：振動(dòng)量從峰值降到50%的時(shí)間。如示例， FT(100%-10%) = 99ms， FT(100%-50%) = 29ms。

圖6：穩(wěn)態(tài)下降時(shí)間示例

06 瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間

瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間——RT：使用最強(qiáng)短振電壓信號(hào)激勵(lì)馬達(dá)，測(cè)量加速度，RT是從激勵(lì)開始到達(dá)指定振動(dòng)量所需要的時(shí)間，例如RT(0-90%)：振動(dòng)量從0到峰值90%的時(shí)間。

瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間——FT：使用最強(qiáng)短振電壓信號(hào)激勵(lì)馬達(dá)，測(cè)量加速度，F(xiàn)T是從峰值下降到指定振動(dòng)量的時(shí)間，例如FT(100%-10%)：振動(dòng)量從峰值降到10%的時(shí)間。

如圖示例：RT=5ms，F(xiàn)T=4.6ms。

圖7：瞬態(tài)響應(yīng)上身下降時(shí)間示例

圖8：帶寬示例

09 振動(dòng)噪聲

Noise：消音室內(nèi)，使用聲級(jí)計(jì)在指定方向上正對(duì)馬達(dá)或設(shè)備一定距離，采集馬達(dá)工作時(shí)產(chǎn)生的聲音，并對(duì)該聲音進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，濾除主振動(dòng)的聲音，從而獲取到雜振的聲音，即為振動(dòng)噪音。共有3個(gè)方向的噪音，分別是Noise-X、 Noise-Y、 Noise-Z。

整體來說，LRA馬達(dá)作為觸覺反饋技術(shù)的執(zhí)行器，具有響應(yīng)速度快，振動(dòng)強(qiáng)度大，振動(dòng)體驗(yàn)感覺細(xì)膩，功耗低，聲學(xué)噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，是觸覺反饋技術(shù)的核心部件。但供電頻率對(duì)其影響較大，諧振頻率的細(xì)微偏移會(huì)使振動(dòng)強(qiáng)度大幅下降減弱振動(dòng)效果。LRA性能的好壞直接影響用戶的觸覺體驗(yàn)，因此，在了解了LRA各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)之后，如何在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)LRA馬達(dá)的最優(yōu)振動(dòng)效果，提升用戶觸覺體驗(yàn)是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問題。

圖9：噪聲測(cè)量示意圖