脈寬調(diào)制(PWM) 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器電源的測(cè)試分析

圖10. 三相三線連接

在這個(gè)線路配置中，可能使用分析儀的第三通道和第四通道，以測(cè)量驅(qū)動(dòng)器輸出或驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的直流總線。

（下周，我們將分享本文的下半部分，將包“損耗與效率測(cè)量，以及如何連接、如何選擇電流傳感器”等話題，敬請(qǐng)期待。）

8.損耗與效率測(cè)量對(duì)任意系統(tǒng)，要想對(duì)其損耗和效率進(jìn)行測(cè)量，最好對(duì)系統(tǒng)輸入和輸出進(jìn)行同步測(cè)量，如圖11 所示。
圖11. 效率測(cè)量圖 對(duì)于高效系統(tǒng)( 如脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器) 來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)特別重要。這是因?yàn)?，如果?duì)輸出和輸出分開(kāi)測(cè)量，而且在測(cè)量之間關(guān)閉系統(tǒng)來(lái)切換儀器，那么就不能始終確保兩個(gè)測(cè)量具有完全相同的負(fù)載條件。如果忽視負(fù)載條件的任何差異，那么都會(huì)導(dǎo)致測(cè)得損耗的誤差。 例如:設(shè)置Number 1 — 測(cè)量輸入。

關(guān)閉系統(tǒng)，重新連接輸出測(cè)量，并再次開(kāi)啟系統(tǒng)：設(shè)置Number 2 — 測(cè)量輸出( 但條件稍微變化)。
表現(xiàn)損耗 = 1052.6 W - 1020 W = 32.6 W實(shí)際損耗 = 1073.7 W - 1020 W = 53.7 W這說(shuō)明測(cè)得的損耗誤差非常大!為了避免這類(lèi)誤差，您可以使用4 通道儀器，如PA4000 功率分析儀，它能夠?qū)︱?qū)動(dòng)器輸入和輸出同時(shí)進(jìn)行兩表法測(cè)量，如圖12所示。
圖12. 利用兩表法實(shí)現(xiàn)PA4000 與驅(qū)動(dòng)器輸入、輸出端連接 使用這個(gè)方法將確保精確測(cè)量，即使輸入和輸出測(cè)量之間的條件可能稍有變化。條件的稍微變化無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)槊看涡蕼y(cè)量都是同步測(cè)量。

9.進(jìn)行連接

對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電壓連接通常只是小事一樁，因?yàn)閷?duì)各相之間電壓進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)行電流連接則更具挑戰(zhàn)。進(jìn)行電流連接主要有兩種方式。第一種是方式“分割”導(dǎo) 體，并使電流通過(guò)電流分流器，然后測(cè)量電流分流器兩端電壓降。雖然這種方式在地功率情況下可行，但當(dāng)電流較高時(shí)，則行不通。 對(duì)于大電流，可能使用電流傳感器。通常，這涉及到使初級(jí)電流載流導(dǎo)體與電流測(cè)量設(shè)備相連。測(cè)量設(shè)備生成一個(gè)與初級(jí)電流成比例的次級(jí)電流。 一般情況下，這需要通過(guò)電流測(cè)量裝置的初級(jí)載流導(dǎo)體傳遞。測(cè)量設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)與初級(jí)電流成比例的次級(jí)電流。

為什么使用電流傳感器?

使用電流傳感器的原因主要有3個(gè)：

1. 正在測(cè)量的信號(hào)可能與測(cè)量設(shè)備不兼容。例如，大部分測(cè)試臺(tái)儀器無(wú)法測(cè)量超過(guò)100 A 的電流，而這么大的電流是大型馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器中常見(jiàn)的。

2. 消除測(cè)量?jī)x器與測(cè)量信號(hào)的耦合。在脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器中，快速開(kāi)關(guān)電壓(dV/dt) 往往造成正在測(cè)量的輸出信號(hào)具有很大的共模分量。高共模電壓給電流測(cè)量帶來(lái)不確定性。使用電流傳感器隔離分析儀的電流輸入和電壓波動(dòng)，從而消除因共模引起的不確定性。

3. 為了便利和安全。在馬達(dá)系統(tǒng)中往往存在高壓，而且電源阻抗往往極低。如果連接不正確，可能造成大量能量流動(dòng)。

選擇正確的電流傳感器電流傳感器有許多種，在馬達(dá)測(cè)量中使用的4 種最常見(jiàn)電流傳感器是：

1. 電流鉗

2. 閉環(huán)霍爾效應(yīng)

3. IT 型閉環(huán)

4. 電流互感器

為了在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的典型信號(hào)帶寬中實(shí)現(xiàn)最佳性能，應(yīng)使用閉環(huán)傳感器。在驅(qū)動(dòng)器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅(qū)動(dòng)器輸出中效果則不好。這是因?yàn)殡娏骰ジ衅髟诘皖l（低驅(qū)動(dòng)速度）性能不佳，而且將限制測(cè)量與開(kāi)關(guān)有關(guān)高頻頻率的能力。

當(dāng)選擇傳感器時(shí)，重要的是考慮正在測(cè)量的信號(hào)和測(cè)量設(shè)備。選擇與需要測(cè)量的最大信號(hào)（包括峰值）相對(duì)應(yīng)的最大輸入范圍傳感器。這將充分發(fā)揮傳感器范圍的效用。

您還希望對(duì)測(cè)量設(shè)備而言，在不引起過(guò)沖的前提下，傳感器輸出信號(hào)盡可能大。輸入信號(hào)越大，信噪比越高，測(cè)量結(jié)果越好。 使用電流傳感器對(duì)于閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎進(jìn)行連接。將為傳感器提供電源。電源通常包括正電源和負(fù)電源，而且必須提供足夠電流，通常為10mA ～ 50mA。

傳感器應(yīng)當(dāng)盡可能靠近測(cè)量?jī)x器，以降低次級(jí)引線的電壓和磁場(chǎng)耦合。 傳感器輸出是單一電流輸出，信號(hào)和電源公用回路。該輸出應(yīng)當(dāng)直接與測(cè)量設(shè)備電流輸入的高端連接。測(cè)量設(shè)備電流輸入的低端應(yīng)當(dāng)連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線應(yīng)當(dāng)盡可能短。輸出應(yīng)當(dāng)靠近電源連接。從理想角度看， 3 條線應(yīng)當(dāng)絞合在一起。 在脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器環(huán)境中，在需要情況下，接地和屏蔽是一個(gè)好習(xí)慣。

在低連接中使用可疊堆4mm 將使低連接很容易接地。 屏蔽電纜將改進(jìn)性能。屏蔽將接地，并與傳感器電源公共端相連，而且，在相應(yīng)的地方，它將與傳感器接地相連。

屏蔽將保護(hù)電源連接與信號(hào)。 如果初級(jí)載體中電流占額定電流百分率較低，或者同測(cè)量?jī)x器可用的電流量程相比，傳感器輸出較低，那么通過(guò)讓電流多次通過(guò)傳感器核心，可以改進(jìn)電路性能。

例如， 如果您只有1000A 輸入、1A 輸出(1000:1)傳感器，但您希望測(cè)量10A 電流，且輸出電流只有10mA。為了更好地使用測(cè)量系統(tǒng)，使初級(jí)導(dǎo)體通過(guò)傳感器10 次，將使輸出電流增加至100mA。從初級(jí)載體角度看，初級(jí)電流從10A 增加至100A。 對(duì)于不同類(lèi)型的電流傳感器，為正確地讀取電流，需要對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行比例縮放。以1000:1 電流傳感器為例，實(shí)際測(cè)量的電流是真實(shí)電流的1/1000。因此，電流輸入需要擴(kuò)大1000 倍。 電流傳感器與PM4000 一起使用PA4000 的設(shè)計(jì)目的是與外部傳感器一起使用。

其設(shè)計(jì)特性包括：

1. 可選擇+/-15V 電源，與許多常用的閉環(huán)電流傳感器一起使用。

2. 每通道電流單獨(dú)縮放。

3. 后面板接地連接，簡(jiǎn)化電流測(cè)量低連接的屏蔽與接地。

4. 內(nèi)建1 Arms 分流器，非常適合電流傳感器輸出。

如果您正在使用泰克電流鉗或變壓器，那么這些設(shè)備輸出是4mm 安全香蕉插座。電纜可以直接插入PA4000 的電流分流器。由于電流傳感器或電流鉗的典型輸出低1A，內(nèi)建1A 分流器是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

為了獲得精確的測(cè)量，只需要為儀器配置兩個(gè)參數(shù)：

1. 分流器選擇。這是在每組基礎(chǔ)上設(shè)置的。

2. 電流輸入比例因子。這是在每通道基礎(chǔ)上設(shè)置的。比例因子是:

如果您正在使用閉環(huán)電流傳感器，那么需要向傳感器提供電源。PA4000 內(nèi)置的可選擇±15V 電源非常適合這個(gè)功能。PA4000 的+15V 和-15V 電源必須與電流傳感器連接，參見(jiàn)圖13。

圖13. 使用閉環(huán)電流傳感器與PA4000 功率分析儀連接 傳感器輸出必須連接至通道1 的AHi 或A1A連接器。

由于閉環(huán)傳感器輸出往往低于1A，因此A1A 連接器通常是更好的選擇。電流通道的Alo 連接器必須與傳感器電源連接器的公共端相連。 為了獲得最佳性能，3 個(gè)連接器應(yīng)當(dāng)絞合在一起并進(jìn)行屏蔽，屏蔽連接至傳感器電源公共端。傳感器電源公共端應(yīng)當(dāng)與PA4000 后面板的接地端相連。

10.動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下的驅(qū)動(dòng)器性能

脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的功耗和輸出特性隨著馬達(dá)負(fù)載變化。雖然您的測(cè)試協(xié)議可能調(diào)用具體線路或負(fù)載條件下的測(cè)試 ，但您可能還需要檢查變化條件下的功率特性。對(duì)負(fù)載變化期間的功率特性進(jìn)行分析可能產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，不過(guò)，有了適當(dāng)?shù)能浖拖嗯涞姆治鰞x，您可以隨著負(fù)載或 其他條件變化，利用計(jì)算機(jī)來(lái)搜集和分析測(cè)量數(shù)據(jù)。

在這些應(yīng)用中，功率分析儀就像一個(gè)精密測(cè)量系統(tǒng)，快速向計(jì)算機(jī)反饋數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)一步分析。 圖14 給出泰克PWRVIEW 軟件收集的來(lái)自PA4000功率分析儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，PA4000 利用單相線路輸入和三相驅(qū)動(dòng)器輸出與脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器相連。除了收集數(shù)據(jù)，該軟件還允許您對(duì)分析儀進(jìn)行控制，這樣可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行配置。

圖15 給出三相輸入讀數(shù)的實(shí)例，包括詳細(xì)的電壓、電流和功率諧波圖。

圖14. PWRVIEW軟件顯示出脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的多個(gè)功率參數(shù)。

圖15. 記錄隨時(shí)間變化的測(cè)量數(shù)據(jù)，并繪制圖表( 如這里所示的Microsoft Excel)。該圖給出馬達(dá)啟動(dòng)期間的測(cè)量數(shù)據(jù)。

11.結(jié)束語(yǔ)

目前，脈寬調(diào)制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器正成為變速馬達(dá)控制的主要方法，不僅用于工業(yè)領(lǐng)域，而且用于電動(dòng)汽車(chē)和家用空調(diào)機(jī)等諸多領(lǐng)域。脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生復(fù)雜波形，無(wú)論 是其輸出至馬達(dá)，還是為驅(qū)動(dòng)器提供電源。泰克PA4000 功率分析儀利用業(yè)界首創(chuàng)的螺旋分流(SpiralShuntTM) 技術(shù)以及動(dòng)態(tài)頻率同步技術(shù)解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器基頻的穩(wěn)定跟蹤。 這項(xiàng)技術(shù)加上脈寬調(diào)制輸出的特殊運(yùn)行模式，可提供持續(xù)的精確測(cè)量。該技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣，對(duì)其總體數(shù)量( 包括所有諧波和載波分量) 進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。與此同時(shí)，它對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化濾波，提供低頻測(cè)量，如基頻測(cè)量和輸出頻率測(cè)量，使得PA4000 成為脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器測(cè)量的理想解決方案。