測量反電動勢 / 馬達的電慣性

什麼是反電動勢？它為何重要？

在機械系統中，慣性會阻礙運動的變化，需要力來加速或減速質量。電動馬達透過反電動勢（Back EMF 或 BEMF）表現出類似的現象。

當馬達轉子在磁場中旋轉時，定子繞組中會產生一個與施加的端電壓相反的感應電壓。此感應電壓可作為“電慣性”，阻止電流隨轉速的變化。反電動勢雖然不是一種機械力，但它能夠穩定馬達動力學，工程師可以將其與機械慣性聯繫起來：

• 它與轉子速度成比例，抵抗施加的電壓並影響扭矩的產生。
• 它可以抑制突然的電輸入變化，影響控制系統的反應能力。
• 它能夠在滑行或再生煞車期間產生電壓，從而促進能量回收和逆變器保護。

反電動勢不僅僅是馬達運動的副產品；它是馬達設計和控制中的關鍵參數。其核心是馬達電壓常數 (Ke)，它將產生的電壓與機械速度連結起來，以伏特/弧度/秒 (V·s/rad) 或伏特/千轉/分 (V/kRPM) 表示。準確確定 Ke 對於選擇相容的驅動電子設備、開發電機模型以及驗證系統級性能至關重要。

有多種應用依賴反電動勢測量：

• 無感測器馬達控制：透過使用 BEMF 作為回授訊號，無需物理位置感測器即可實現換向。
• 馬達設計與模擬：根據馬達常數（Ke）驗證預測扭力、電流和電壓的模擬模型。
• 品質評估：透過波形不對稱辨識短路或錯位等問題。
• 再生系統：確定能量回收性能並在煞車期間保護逆變器。
• 生產和合規性測試：驗證受監管行業中的組裝品質和安全關鍵行為。

由於反電動勢 (EMF) 涉及電氣、機械和控制領域，因此它是現代馬達系統中統一的參數。無論是在早期設計階段驗證電機，還是在現場調整其控制策略，了解和測量反電動勢都有助於深入了解電機行為和系統性能。

測量 BEMF 和馬達電壓常數需要什麼儀器？

反電動勢測試需要能夠精確捕捉馬達端電壓和轉速的儀器，同時保持訊號完整性和電氣隔離。由於反電動勢通常出現在相對較低的電壓下（尤其是在低速或滑行狀態下），因此測量解析度和抗噪性至關重要。

理想的儀器應：

• 提供隔離電壓輸入，以安全、清晰地測量相間訊號
• 透過編碼器、旋轉變壓器或模擬轉速表輸入獲取轉速
• 支援電訊號、機械訊號同步擷取
• 在定義的時間間隔內輸出穩定的平均值（例如，RMS 電壓和速度），用於計算馬達常數（Ke）

雖然有些裝置使用波形擷取進行詳細分析或波形形狀，但大多數實際的 BEMF 測試都依賴儀器自動計算並隨時間平均這些值。這種方法提高了可重複性，並簡化了馬達特性的計算。

如何設定和測量

1.    電壓接線

將每個電機相電壓連接至隔離電壓輸入通道。確保通道之間以及與地面之間的高壓隔離。

2.    速度參考

使用編碼器、旋轉變壓器或模擬轉速表來捕捉轉子轉速。此訊號必須與電壓波形同步記錄。

3.    信號擷取

為了確保反電動勢 (EMF) 計算的準確性，儀器必須擷取具有足夠解析度和取樣頻寬的電壓和速度訊號，以捕捉相關的波形細節。採樣率應足夠高，以便解析每次機械旋轉的多個電週期。
電壓和速度必須同步記錄，以便平均或處理視窗在時間上對齊。這種時間對齊在計算馬達常數 (Ke) 時至關重要，因為電壓和速度資料之間的任何不匹配都會引入誤差。無論使用波形捕獲系統還是基於平均的系統，一致的時序和清晰的訊號輸入都是獲得可靠結果的關鍵。

4.     旋轉電機 

• 滑行測試：短暫驅動電機，然後斷開連接並讓其自由旋轉，同時捕捉電壓和速度。
• 外部旋轉：使用輔助機械源（例如測力計或鑽頭）旋轉馬達軸，無需與驅動系統進行任何電氣連接。此方法可產生乾淨的 BEMF 波形，且不受逆變器影響。

5.    計算

反電動勢常數的計算公式如下：  

KE = V / ω

在哪裡：

• V 是反電動勢電壓或基波電壓的 RMS（通常為線間電壓）
• ω是角速度，單位為 rpm

根據應用情況，Ke 通常以 V·s/rad、V/kRPM 或 V/RPM 表示。

設定 WT5000 來計算馬達電壓常數

WT5000 精密功率分析儀提供所有必要的輸入，可精確計算馬達的反電動勢常數。透過以同步平均格式捕獲電氣和機械參數，它簡化了測量過程並提高了可重複性。

要進行反電動勢測試，需要取得兩個關鍵參數：

• 使用電壓接線組測量馬達相間連接的基波 RMS 電壓
• 使用連接到 WT5000 機械輸入通道之一的 ABZ 編碼器測量馬達軸的轉速 (RPM)

配置這些訊號後，可以建立自訂使用者定義數學函數，使用 WT5000 上的以下公式計算反電動勢常數：

所得 BEMF 值可以顯示為即時數值、隨時間變化的趨勢圖，或與其他功率和機械數據一起記錄。這可以與扭矩、輸入功率或系統效率等其他測量值進行關聯，並全面展現馬達在滑行或外部旋轉測試期間的行為。

為什麼要使用 WT5000 進行反電動勢和馬達特性分析？

WT5000 精密功率分析儀非常適合進行精確的反電動勢測試和更廣泛的馬達評估。它擁有業界領先的精度、高通道隔離度以及同步電氣和機械測量功能，在單一平台上提供所有必要的驗證工具。

針對反電動勢測試，WT5000 提供：

• 透過內部 10 MS/s 擷取實現一致、高速取樣，實現可靠的 RMS 和基波電壓計算
• 具有高動態範圍和噪音抑制的精密電壓輸入，非常適合滑行或低速旋轉期間的低反電動勢水平
• 內建諧波和基波分量分析，允許使用者測量馬達的驅動頻率並捕獲高達 500 次諧波，以評估逆變器引起的頻譜內容和線路失真。
• 扭矩和速度感測器的機械輸入通道，可實現完整的馬達常數驗證和直接效率分析
• 電壓和轉速資料之間的靈活平均和同步確保即使在動態條件下也能準確計算 Ke

除了 BEMF 之外，WT5000 還支援完整的逆變器到馬達效率測試，將電輸入/輸出功率與機械功率相結合，從而提供完整的系統洞察。其模組化架構和寬測量頻寬使其成為研發和生產測試環境的強大工具。