脈寬調(diào)制(PWM) 馬達驅(qū)動器電源的測試分析

自電機工程誕生以來，三相交流馬達一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修。此外，交流馬達（如感應馬達和磁阻馬達）無需與轉(zhuǎn)子的電氣連接，因此很容易實現(xiàn)阻燃，用于危險環(huán)境（如礦山）。

為了提供適當?shù)慕涣黢R達速度控制，必須為馬達提供三相電源，其電壓和頻率可以變化。這種電源將在定子中形成一個變速旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子按照所需的速度旋轉(zhuǎn)，且滑動很小，如圖1 所示。這個交流馬達驅(qū)動器可以高效提供從零速到全速的全轉(zhuǎn)矩，如果需要的話，還可以超速，而且通過改變相位旋轉(zhuǎn)，可以很容易使馬達雙向運轉(zhuǎn)。具有這些特點的驅(qū)動器稱作脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器。

交流馬達驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

脈寬調(diào)制驅(qū)動器可以生成復雜波形，如在到馬達的輸出上，以及到驅(qū)動器的電源上。本博文將分兩部分，探討馬達驅(qū)動器的電氣測量話題。

2.對脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器的測量

表1 給出了脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器的典型測量。

表1. 常見的脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器測量

3.馬達輸出測量

圖1 說明，通過在馬達輸出軸安裝轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以對馬達輸出進行測量。

圖1. 馬達輸出測量

3.1轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器生成的電信號與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速成正比。通過測量這些信號，可以確定馬達的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，從這些測量結(jié)果中可以計算馬達輸出功率。

3.2轉(zhuǎn)矩

馬達轉(zhuǎn)矩是在其輸出軸上形成的旋轉(zhuǎn)力，它是一個扭力，其單位是牛頓米(Nm) 或英尺磅(1 英尺磅 =1.3558 Nm)。對于小型馬達而言，其轉(zhuǎn)矩額定值低于1 Nm；對于大型馬達而言，其轉(zhuǎn)矩額定值達到幾千Nm。

通過旋轉(zhuǎn)應變計以及利用固定接近、磁致伸縮和磁彈性傳感器，可以測量轉(zhuǎn)矩。這些傳感器都是溫度敏感型的。旋轉(zhuǎn)傳感器必須安裝在轉(zhuǎn)軸上，由于空間受限，這并非總能行得通。

為測量轉(zhuǎn)矩，應變計往往直接安裝在轉(zhuǎn)軸上。由于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩傳感器必須通過滑環(huán)、無線通信或電感耦合與外邊世界耦合。

3.3轉(zhuǎn)速

馬達轉(zhuǎn)速通常以每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM) 來描述，即它在1分鐘內(nèi)沿固定軸旋轉(zhuǎn)的完整圈數(shù)。

轉(zhuǎn)速傳感器輸出可能是一個與轉(zhuǎn)速成正比的模擬電壓。更普遍的是，轉(zhuǎn)速傳感器輸出是一個由馬達轉(zhuǎn)軸上圓盤生成的TTL 脈沖。通過測量TTL 信號頻率，并應用比例因數(shù)，可以確定馬達轉(zhuǎn)速。

例如，如果轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈生成n 個脈沖，那么每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM) 可以計算為：

3.4實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量與電氣測量相結(jié)合

為了確定馬達和驅(qū)動器組合的效率，必須考慮系統(tǒng)的電氣輸入以及在馬達輸出端生成的機械功率。馬達輸出功率是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積：

馬達輸出功率(W)= 轉(zhuǎn)矩(Nm)× 轉(zhuǎn)速( 弧度/ 秒)

= 轉(zhuǎn)矩(Nm)× 轉(zhuǎn)速(RPM)×

注意：1ft-lb=1.3558Nm( 牛頓米)

1HP=745.7W

通過以下公式，可以計算系統(tǒng)效率：

為了進行這些測量，PA4000 包括傳感器輸入端，用于連接轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器。通過測量驅(qū)動器輸入端消耗的電力、以及馬達輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使用一臺儀器就可以測量出系統(tǒng)效率。

4.驅(qū)動器輸出測量

脈寬調(diào)制驅(qū)動器的輸出波形非常復雜，由一系列高頻分量( 因載波) 和低頻分量( 因基波) 組合而成。

對大多數(shù)功率分析儀來說，這帶來的問題是：如果在高頻測量，那么波形中的低頻信息將丟失；如果濾除脈寬調(diào)制波形在低頻測量，那么高頻數(shù)據(jù)將丟失。這個難題的出現(xiàn)是因為在低頻對波形進行調(diào)制。因此，高頻測量( 如總電壓有效值、總功率等) 必須在高頻處進行，但必須超出輸出波形低頻分量的整數(shù)倍。

泰克PA4000 功率分析儀利用脈寬調(diào)制輸出測量的特殊工作模式克服了這個難題。它對數(shù)據(jù)進行高速采樣，并實時計算總體數(shù)量，包括所有諧波和載波分量。與此同時，對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字化濾波，提供低頻測量，如輸出頻率的基波分量和測量。

圖2. 高精度PA4000 測量技術(shù)

除了從同一測量中獲得低頻和高頻結(jié)構(gòu)外，該技術(shù)允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩(wěn)定的高頻測量結(jié)果的唯一方法。

圖3. 測得的一個馬達繞組兩端的凈電壓

根據(jù)測量的輸出頻率范圍，濾波器的選擇方案有3 種，參見表2。

表2. 脈寬調(diào)制馬達驅(qū)動器系統(tǒng)內(nèi)不同頻率范圍應用的濾波器

濾波器的選擇并不影響較高頻率分量的測量，因為這些測量是通過未經(jīng)過濾的數(shù)據(jù)進行的。不過，為了優(yōu)化低頻測量結(jié)果，您應當為應用選擇正確的濾波器。

5.使用PA4000示波器測量驅(qū)動器輸出

該儀器通過三相三線配置連接至輸出。( 又稱作兩表法。關(guān)于兩表法的更多信息，請參見應用指南：三相測量原理。) 對于輸出電流高達30A 的脈寬調(diào)制驅(qū)動器，PA4000 可以通過其內(nèi)部電流分流器，直接與驅(qū)動器輸出相連，如圖4 所示。