線性馬達電機性能指標的具體含義及測試方法

LRA（Linear Resonance Actuator，線性諧振執行器）是目前廣泛應用于智能手機的一種線性馬達電機。線性馬達其系統架構如下。

圖1：X軸線性馬達示意及實物圖

一個標準的線性馬達的架構主要包括振動系統，磁路系統以及支撐系統三大模塊，每個模塊又由若干組件構成。振動系統為馬達振動力的產生傳遞提供硬件條件，磁路系統為系統提供磁場，支撐系統是馬達的結構框架。

根據法拉第定律，當具有導通電流的導體垂直于磁場時，會受到力的作用。其方向符合左手定則，力與電流、磁場方向互相垂直，受力大小與電流、導線長度、磁通密度成正比。線性馬達就是根據這個原理，把線圈（導體）置于一個磁場中并向其輸入交變的電流，線圈產生交變磁場，進而產生交變力推動質量塊（內含磁鐵）進行往復運動。

線性馬達性能是電學、力學、磁學等物理參數共同作用的結果，由振子、彈波、線圈、磁路等關鍵零部件的性能共同確定，其中一些參數相互制約相互影響，因而在線性馬達的驅動設計時必須綜合考慮，以求達到最佳的振動效果。本文主要介紹評判LRA性能的關鍵指標。

表1 LRA性能和振動觸覺指標總覽

下面將逐一解釋每個性能指標的具體含義及測試方法。

01諧振頻率

線性馬達系統的諧振頻率計算公式為f0=，k為彈簧的勁度系數，md為振子質量。

下面是f0的兩種測試方法：

諧振頻率——掃頻f0：LRA為交流電驅動，通電的線圈在磁場中受安培力，從而驅動馬達振動。交流電的電壓和頻率是影響馬達振動強度的兩大因素，一般通過改變頻率來改變馬達振感進而匹配不同的手機使用場景。下圖是一個典型的LRA頻響曲線。即在額定電壓下，給馬達輸入不同頻率的電壓激勵信號，測量獲得不同頻率下的運動加速度（實驗室更容易獲取加速度值，因此將其作為馬達運動情況的反映），對其數據進行處理得到頻響曲線。計算最大振動量時對應的頻率即為諧振頻率f0，如下圖示例，馬達掃頻f0=171.1Hz。

圖2：幅頻響應曲線

諧振頻率——余振f0：在額定電壓下，給馬達輸入指定頻率和時長的電壓激勵信號，測量激勵結束后的加速度(電流、BEMF)，從而得出余振f0。

圖3：f0測試示意圖

02振動量

振動量——穩態Grms：采用額定電壓、f0單頻信號激勵馬達，測量運動加速度，計算其穩態時的加速度有效值即為振動量Grms。

公式：

振動量——瞬態GPP：采用最強短振信號激勵馬達，測量其加速度acc，計算其峰峰值即為瞬態GPP。

公式：GPP=max?(acc)-min?(acc) ,

如示例，GPP≈ 2g， Grms=0.71g 。

圖4：穩態及瞬態振動示意圖

03品質因數：Qts、Qes、Qms

品質因數表示振子阻尼性質，Qts值可以通過諧振頻率相對于帶寬大小來計算得到。

公式：

其中，

電氣品質因數Qes表征電壓放大器的有效阻尼。

機械品質因數Qms表征機械的有效阻尼。

04直流電阻

Rdc：通過萬用表測量馬達兩端電阻可得直流內阻值。

05穩態響應時間

穩態響應時間——RT：使用f0頻率、額定電壓激勵馬達，RT指從激勵開始到達指定振動量所需要的時間，例如RT(0-90%)：振動量從0到峰值90%的時間, RT(0-50%)：振動量從0到峰值50%的時間。

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

圖5：穩態上升時間示例

穩態響應時間——FT：使用f0頻率、額定電壓激勵馬達達到穩態后停止激勵，FT是從激勵結束后到達指定振動量所需要的時間，例如FT(100%-10%)：振動量從峰值降到10%的時間，FT(100%-50%)：振動量從峰值降到50%的時間。如示例， FT(100%-10%) = 99ms， FT(100%-50%) = 29ms。

圖6：穩態下降時間示例

06瞬態響應時間

瞬態響應時間——RT：使用最強短振電壓信號激勵馬達，測量加速度，RT是從激勵開始到達指定振動量所需要的時間，例如RT(0-90%)：振動量從0到峰值90%的時間。

瞬態響應時間——FT：使用最強短振電壓信號激勵馬達，測量加速度，FT是從峰值下降到指定振動量的時間，例如FT(100%-10%)：振動量從峰值降到10%的時間。

如圖示例：RT=5ms，FT=4.6ms。

圖7：瞬態響應上身下降時間示例

瞬態響應是評判觸覺效果的核心指標。

07失真度

THD：揚聲器的失真，主要由振動系統的非線性和磁路系統的非線性產生。在大振幅情況下，由折環及彈波所組成的振動系統懸掛體，不再符合線性的虎克定律；磁間隙內磁感應密度沿軸向的不均勻性和導磁材料的非線性特性等都會產生非線性失真。其主要衡量指標是總諧波失真，主要分為互調失真、瞬態失真和相位失真。一個好的馬達額定功率的失真一般會低于5%, 并且失真很大一部分由2 次和3 次諧波失真構成。

08帶寬

帶寬BW_3dB和BW_6dB：使用額定電壓、不同頻率的step單頻信號激勵馬達，獲取加速度，對其進行數據處理，在f0的峰值一定頻率區域來表示馬達的帶寬。具體如下：

BW_3dB帶寬是頻響峰值降低3dB的頻率范圍，BW_6dB帶寬是頻響峰值降低6dB的頻率范圍。如下圖示例，該馬達BW_3dB=7.6Hz，BW_6dB=13.4Hz。

圖8：帶寬示例

09振動噪聲

Noise：消音室內，使用聲級計在指定方向上正對馬達或設備一定距離，采集馬達工作時產生的聲音，并對該聲音進行數字信號處理，濾除主振動的聲音，從而獲取到雜振的聲音，即為振動噪音。共有3個方向的噪音，分別是Noise-X、 Noise-Y、 Noise-Z。

整體來說，LRA馬達作為觸覺反饋技術的執行器，具有響應速度快，振動強度大，振動體驗感覺細膩，功耗低，聲學噪聲小等優點，是觸覺反饋技術的核心部件。但供電頻率對其影響較大，諧振頻率的細微偏移會使振動強度大幅下降減弱振動效果。LRA性能的好壞直接影響用戶的觸覺體驗，因此，在了解了LRA各項技術指標之后，如何在不同的應用場景下，實現LRA馬達的最優振動效果，提升用戶觸覺體驗是當前亟待解決的技術問題。

審核編輯：湯梓紅