電機驅(qū)動 控制系統(tǒng)

一.引言

國際能源機構(gòu)IEA曾經(jīng)聲稱全球45%的電能是電機所消耗的。在中國，這個比例是54%。這一方面反映了電機的使用是如此廣泛，另一方面也敦促業(yè)界開發(fā)和使用更高效的電機。為了滿足機電工程師對電機驅(qū)動和控制系統(tǒng)的測試需求，力科公司新推出基于8通道、12bit示波器的電機驅(qū)動和控制系統(tǒng)測試平臺HDO8000。

圖1 電機驅(qū)動和控制系統(tǒng)測試平臺HDO8000

二. 電機測試需求分析

下圖是一個典型的電機驅(qū)動和控制系統(tǒng)框圖，大致分為功率驅(qū)動部分、電機控制部分、電機和傳感器部分。

圖2 一個典型的電機驅(qū)動和控制系統(tǒng)

功率驅(qū)動部分

圖2 中的功率驅(qū)動部分是一個典型的級聯(lián)H-bridge驅(qū)動電路。將其放大到圖3顯示：

圖3 H-bridge驅(qū)動電路

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

對于這一部分進行功率分析是電機測試最重要的內(nèi)容。主要關(guān)注輸入端的功率測量，輸出端的功率測量，以及功率轉(zhuǎn)換效率。

其次橋式電路的調(diào)試和驗證也是必不可少的，這通常涉及對6個功率管的驅(qū)動電壓、漏源電壓和電流的測量。

電機控制部分

電機控制部分通常是一個嵌入式系統(tǒng)，核心是DSP或MCU，主要負責(zé)執(zhí)行電機驅(qū)動算法、采集電機反饋信號以及和其他系統(tǒng)的通信接口。對這部分的測試涉及常規(guī)的數(shù)字電路測試，接口電路測試等。

電機和傳感器

對電機的測試主要關(guān)注輸入的電氣功率、其實就是功率驅(qū)動部分的輸出功率，電機輸出的機械參數(shù)，即轉(zhuǎn)速、扭矩、方向等，這些機械參數(shù)通?？捎蓚鞲衅鬏敵?。

三. 測試功能

為了滿足上述的測試需求，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試三相電的有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)等參數(shù)，對于電機功率驅(qū)動電路的輸入和輸出功率的測量也是相同原理。為了適應(yīng)多種供電方式，HDO8000能夠測量五種接線方式：單相兩線制、單相三線制、三相三線制(兩瓦特計和三瓦特計)、三相四線制。儀器界面會給出連線示意圖，指導(dǎo)使用者如何連接被測信號。同時也提供火線-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 電機功率測試設(shè)置界面示意

功率參數(shù)的測試結(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)值測量結(jié)果除了圖5所示的功率參數(shù)以外，還可以觀測信號的波形，特別是能夠提取一個周期內(nèi)的細節(jié)波形以供分析。另外還能對功率等參數(shù)在長時間內(nèi)變動情況做數(shù)值統(tǒng)計。這特別適合對電機啟動和停止過程、負載變化過程做動態(tài)響應(yīng)分析。例如當(dāng)HDO8000存儲深度為200Mpts，采樣率設(shè)為10MS/s時，可以觀測20秒長度的三相電電壓、電流、各種功率、功率因數(shù)、相角的實時波形。下圖是一個長時間動態(tài)響應(yīng)分析的例子：

圖6 電機驅(qū)動動態(tài)響應(yīng)分析例子

2. 功率器件的調(diào)試和驗證

除了對功率驅(qū)動部分的輸入、輸出功率進行測量分析以外，還可以針對其中的功率器件(MOSFET/IGBT/GTR)進行測量分析，比如：

柵極驅(qū)動信號測量

飽和漏-源壓降

開關(guān)管瞬時功率

開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷損耗

開關(guān)管上電過程不同階段的損耗

動態(tài)導(dǎo)通電阻

安全工作區(qū)(SOA)

因為HDO8000是一款8通道示波器，它能夠同時觀測多個開關(guān)管的狀態(tài)，這對于調(diào)試和驗證橋式驅(qū)動電路非常必要。例如下圖顯示了一個H-bridge驅(qū)動電路在啟動過程的信號。利用HDO8000同時測量驅(qū)動輸出的6個電壓和電流信號，多個功率器件的異常開關(guān)能夠同時觀測到，有利于加快調(diào)試進度。

圖7 H-bridge驅(qū)動電路輸出電壓電流波形

3. 電機機械參數(shù)測量

HDO8000支持直接測量電機傳感器輸出信號，可以在儀器界面上顯示出轉(zhuǎn)速、扭矩、方向、位置等機械參數(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. 電機控制系統(tǒng)測試

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

圖8 CAN總線測試示意