電機(jī)驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng)

一.引言

國(guó)際能源機(jī)構(gòu)IEA曾經(jīng)聲稱全球45%的電能是電機(jī)所消耗的。在中國(guó)，這個(gè)比例是54%。這一方面反映了電機(jī)的使用是如此廣泛，另一方面也敦促業(yè)界開(kāi)發(fā)和使用更高效的電機(jī)。為了滿足機(jī)電工程師對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的測(cè)試需求，力科公司新推出基于8通道、12bit示波器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)HDO8000。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)HDO8000

二. 電機(jī)測(cè)試需求分析

下圖是一個(gè)典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)框圖，大致分為功率驅(qū)動(dòng)部分、電機(jī)控制部分、電機(jī)和傳感器部分。

圖2 一個(gè)典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)

功率驅(qū)動(dòng)部分

圖2 中的功率驅(qū)動(dòng)部分是一個(gè)典型的級(jí)聯(lián)H-bridge驅(qū)動(dòng)電路。將其放大到圖3顯示：

圖3 H-bridge驅(qū)動(dòng)電路

H-bridge驅(qū)動(dòng)電路的輸入為三相交流電，經(jīng)過(guò)整流后變成直流電壓(DC bus)。6個(gè)功率管組成的橋式電路將直流電壓逆變?yōu)槿郟WM信號(hào)輸出給電機(jī)。

對(duì)于這一部分進(jìn)行功率分析是電機(jī)測(cè)試最重要的內(nèi)容。主要關(guān)注輸入端的功率測(cè)量，輸出端的功率測(cè)量，以及功率轉(zhuǎn)換效率。

其次橋式電路的調(diào)試和驗(yàn)證也是必不可少的，這通常涉及對(duì)6個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)電壓、漏源電壓和電流的測(cè)量。

電機(jī)控制部分

電機(jī)控制部分通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，核心是DSP或MCU，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法、采集電機(jī)反饋信號(hào)以及和其他系統(tǒng)的通信接口。對(duì)這部分的測(cè)試涉及常規(guī)的數(shù)字電路測(cè)試，接口電路測(cè)試等。

電機(jī)和傳感器

對(duì)電機(jī)的測(cè)試主要關(guān)注輸入的電氣功率、其實(shí)就是功率驅(qū)動(dòng)部分的輸出功率，電機(jī)輸出的機(jī)械參數(shù)，即轉(zhuǎn)速、扭矩、方向等，這些機(jī)械參數(shù)通常可由傳感器輸出。

三. 測(cè)試功能

為了滿足上述的測(cè)試需求，力科公司推出的8通道、12bit示波器HDO8000系列能夠提供以下測(cè)試功能：

1. 功率分析

在《利用八通道示波器分析三相交流電》一文中，我們已經(jīng)了解到如何用示波器測(cè)試三相電的有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及功率因數(shù)等參數(shù)，對(duì)于電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入和輸出功率的測(cè)量也是相同原理。為了適應(yīng)多種供電方式，HDO8000能夠測(cè)量五種接線方式：?jiǎn)蜗鄡删€制、單相三線制、三相三線制(兩瓦特計(jì)和三瓦特計(jì))、三相四線制。儀器界面會(huì)給出連線示意圖，指導(dǎo)使用者如何連接被測(cè)信號(hào)。同時(shí)也提供火線-火線電壓到火線-零線電壓的轉(zhuǎn)換。圖4是設(shè)置界面示意。

圖4 電機(jī)功率測(cè)試設(shè)置界面示意

功率參數(shù)的測(cè)試結(jié)果能以表格方式顯示在儀器界面上，如下圖所示。

圖5 功率數(shù)值測(cè)量結(jié)果除了圖5所示的功率參數(shù)以外，還可以觀測(cè)信號(hào)的波形，特別是能夠提取一個(gè)周期內(nèi)的細(xì)節(jié)波形以供分析。另外還能對(duì)功率等參數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)變動(dòng)情況做數(shù)值統(tǒng)計(jì)。這特別適合對(duì)電機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程、負(fù)載變化過(guò)程做動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。例如當(dāng)HDO8000存儲(chǔ)深度為200Mpts，采樣率設(shè)為10MS/s時(shí)，可以觀測(cè)20秒長(zhǎng)度的三相電電壓、電流、各種功率、功率因數(shù)、相角的實(shí)時(shí)波形。下圖是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析的例子：

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析例子

2. 功率器件的調(diào)試和驗(yàn)證

除了對(duì)功率驅(qū)動(dòng)部分的輸入、輸出功率進(jìn)行測(cè)量分析以外，還可以針對(duì)其中的功率器件(MOSFET/IGBT/GTR)進(jìn)行測(cè)量分析，比如：

柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)量

飽和漏-源壓降

開(kāi)關(guān)管瞬時(shí)功率

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷損耗

開(kāi)關(guān)管上電過(guò)程不同階段的損耗

動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻

安全工作區(qū)(SOA)

因?yàn)镠DO8000是一款8通道示波器，它能夠同時(shí)觀測(cè)多個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)，這對(duì)于調(diào)試和驗(yàn)證橋式驅(qū)動(dòng)電路非常必要。例如下圖顯示了一個(gè)H-bridge驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)過(guò)程的信號(hào)。利用HDO8000同時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)輸出的6個(gè)電壓和電流信號(hào)，多個(gè)功率器件的異常開(kāi)關(guān)能夠同時(shí)觀測(cè)到，有利于加快調(diào)試進(jìn)度。

圖7 H-bridge驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓電流波形

3. 電機(jī)機(jī)械參數(shù)測(cè)量

HDO8000支持直接測(cè)量電機(jī)傳感器輸出信號(hào)，可以在儀器界面上顯示出轉(zhuǎn)速、扭矩、方向、位置等機(jī)械參數(shù)，目前支持的傳感器種類有:

脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器

霍爾傳感器

旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver )

正交編碼器(Quadrature Encoder )

4. 電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試

HDO8000借助8個(gè)模擬通道和最多16個(gè)數(shù)字邏輯通道可以測(cè)量分析嵌入式系統(tǒng)的各種模擬和數(shù)字信號(hào)。例如嵌入式系統(tǒng)中常用的UART、I2C、SPI、以太網(wǎng)等信號(hào)，機(jī)電系統(tǒng)中常用的CAN,RS-232/422/488總線等，下圖是一個(gè) CAN總線信號(hào)測(cè)試的示意。借助解碼功能，可以直接在示波器上將信號(hào)所表示的CAN消息解碼出來(lái)：

圖8 CAN總線測(cè)試示意