直流无刷电机关键参数详解：从机械转速到转矩常数
直流无刷电机关键参数详解：从机械转速到转矩常数
直流无刷电机（BLDC）是一种广泛应用于各种设备中的高效电机，其性能和控制精度很大程度上取决于对关键参数的准确理解和测量。本文将详细介绍直流无刷电机的多个重要参数，包括机械转速、ud/uq/us、输出功率、反电动势幅值、载波周期和转矩常数等，并通过实验数据和计算公式，帮助读者深入理解这些参数的物理意义和相互关系。
前言
在电机控制领域，直流无刷电机因其高效率、低维护和精确控制等特点而被广泛应用。为了更好地理解和控制这些电机，我们需要深入了解其关键参数及其测量方法。本文将通过实验数据和计算公式，详细介绍直流无刷电机的多个重要参数。
使用工具：
- 示波器：PICO2205A
- 电桥LCR：VICIOR4090A
- 电流钳：汉泰CC65
- 直流稳压电源：GPS305D(30V/5A）
- 上位机：VOFA+
一、机械转速
机械转速是指机械设备旋转一周所需的时间，它描述了机械转动部分在单位时间内转动的次数或圈数。电转速，特别是在电机中，指的是电机工作时旋转的速度，通常用每分钟转数（RPM）或每秒转数（RPS）来表示。
电机运转时，其叶片或转子在磁场中不断旋转，从而产生一定频率的电磁波，使电机绕组上产生交变电压。因此，电机的电周期与电压的周期是相同的。
电机的电转速（即旋转速度）与电周期是密切相关的。电机的电周期决定了其旋转的频率，而旋转频率与转速是直接相关的。简单来说，电周期越短，电机的旋转频率越高，从而转速也越高；反之，电周期越长，电机的旋转频率越低，转速也相应降低。
此外，电机的转速还受到电源频率、电机绕组数、电机类型和负载等多种因素的影响。在电机控制中，常使用变频器来控制电机转速，通过改变电源频率来调节电机的电周期，从而实现对转速的精确控制。
通过串口打印，设置目标转速2200RPM，观测器实际反馈目标转速2187RPM左右。
实验过程：
示波器PICO，表笔接两相，看一个电周期的频率，可以直接看出来4354RPM，由于我用的电机是2极对数，所以除以2就得到了计算的机械转速2177RPM。
计算公式如下：
二、ud、uq、us
在上一节，我们已经把电机参数求出来了，例如反电动势系数，在求旋转坐标系下的uduq时，需要用到磁链，磁链与反电动势系数其实是一样的，代入公式即可
再通过dq电压平方和开根号求出us
三、输出功率
输出功率与iq有关，因此需要把iq打印出来，要注意，此时的iq没有经过pi控制器，是反馈的iq，而不是输出的iq
这个是反馈的iq
代入输出功率公式
四、相反电动势幅值
a.电机通过控制器转动时——两相之间，线电压：
概念：在电机通过控制器驱动的过程中，我们首先需要理解电机运行时的基本原理。电机在运转时，由于电流通过其绕组，会在绕组中产生磁场，这个磁场与电机的旋转磁场相互作用，从而产生转矩，使电机得以旋转。
当我们谈到线电压时，它通常指的是电机绕组两端之间的电压，即电源提供的电压。这个电压用于驱动电机中的电流，进而产生所需的磁场和转矩。
而线反电动势，则是电机在旋转过程中，由于其内部的磁场变化而在绕组中产生的电动势。这个反电动势的方向与电源提供的电压方向相反，它的大小与电机的转速和磁场强度有关。反电动势是电机在运行时的一个自然特性，它会对电机的电流和性能产生影响。
因此，在电机通过控制器驱动时，相对相之间产生的主要是线电压，用于驱动电机旋转。同时，由于电机的旋转，也会产生线反电动势，这是电机运行时的一个固有特性。控制器在驱动电机时，需要考虑到这个反电动势的影响，以确保电机的稳定运行和性能优化。
在计算机械转速时，我们用到了这个此波形，通过上面的描述，我们要知道，此波形为线电压波形，而不是线反电动势波形，因此无法计算反电动势
b. 电机通过外力转动时——两相之间，线反电动势：
这是我电机参数测量时，所用到的实验波形，此波形为线反电动势波形，实验过程参考此链接
【电机参数】直流无刷电机2804电机参数测量——电感、电阻、极对数、磁链常数
使用博世电动螺丝刀，通过均匀转动，带动电机转子，产生线反电动势，且为动生电动势。
概念：
当电机通过外力转动时，相对相之间主要产生的是线反电动势，而不是线电压。
线反电动势是由于电机转子在磁场中旋转时，磁通量发生变化而在电机绕组中产生的电动势。根据法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动时，会在导体中产生感应电动势。在电机中，转子的旋转导致绕组中的导体相对于磁场运动，从而产生线反电动势。
这个线反电动势的方向与电机正常运转时电源提供的电压方向相反。因此，当电机通过外力转动时，如果外力方向与电机正常运转时的旋转方向相同，那么产生的线反电动势会尝试抵消外力的作用，使得电机难以继续转动。这也是为什么有些电机在外力作用下会产生阻力或制动力矩的原因。
需要注意的是，虽然外力转动电机时主要产生的是线反电动势，但在某些情况下，电机绕组中可能仍然存在微弱的线电压。这可能是由于电机内部电阻、电感等因素导致的微弱电流产生的电压。然而，在大多数情况下，这个线电压相比于线反电动势来说可以忽略不计。
当外部拖动无刷电机的转子转动时，产生的电动势主要是动生电动势。这是因为动生电动势是由于导体在磁场中运动而产生的电动势，与导体的运动方向和磁场方向有关。在无刷电机中，当转子被外部力量拖动旋转时，转子中的导体在磁场中运动，从而产生动生电动势。
**感生电动势则是由磁场变化引起的电动势，与磁场的变化率有关。在无刷电机正常运行时，由于电流的变化，磁场也会发生变化，从而产生感生电动势。但在外部拖动转子转动的情况下，主要产生的是动生电动势。**
线反电动势峰峰值可以通过之前推算机械速度的波形看出，2.27V左右
再计算相反电动势幅值e=0.65V
五、载波周期
a.电机通过控制器转动时——两相之间，线电压：
通过两相之间测量的线电压需要除2即为PWM输出的载波周期，25/2=12.5Khz
b.电机通过控制器转动时——相对地之间，端电压：
通过相对地之间测量的端电压，载波周期即波形到下一个波形，无需除2，
六、转矩常数
a.FOC控制，反电动势正弦波（PMSM）
之前所用到的反电动势系数，是用相电动势计算得到的，
如果反电动势常数不用线电压表示，
1.而用相电压峰值表示
Kt =3/2·p·Ke
中国的GB/T 30549-2014明确规定正弦波电机反电动势常数用线电压的有效值计算，而非相电压也非峰值电压；国外用的是相反电动势有效值；
2.若用线电压峰值表示
Kt =根号3Ke
3.三角形绕线
电机定子绕组在三角形接法中，相电压等于线电压，但相电流不等于线电流
4.星形绕线
星形接法，电压是相电压的根号3倍
其中kt单位为N·m/A，ke单位为V*s/rad
b.六部方波控制，反电动势梯形波（BLDC）
1.Kt单位N.m/A Ke单位V.s/rad条件：
Kt＝Ke
2.Ke单位V/rpm时：
因为1rad/s=30/pi rpm所以Kt＝30/pi
Kt=9.55 Ke
七、参考资料
关于电机的标幺值
永磁同步电机的反电动势常数怎么算？
永磁同步电机反电动势常数，磁链怎么计算？
转矩系数与反电势系数
PMSM与BLDC的分割线
总结
本文仅仅简单介绍了【电机参数】直流无刷电机机械转速、ud、uq、us、输出功率、相反电动势幅值、载波周期、转矩常数方面，评论区欢迎讨论。