電機驅動 控制系統

國際能源機構IEA曾經聲稱全球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，另一方面也敦促業界開發和使用更高效的電機。為了滿足機電工程師對電機驅動和控制系統的測試需求，力科公司新推出基于8通道、12bit示波器的電機驅動和控制系統測試平臺HDO8000。

圖1 電機驅動和控制系統測試平臺HDO8000

二. 電機測試需求分析

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

圖2 一個典型的電機驅動和控制系統

功率驅動部分

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

圖3 H-bridge驅動電路

H-bridge驅動電路的輸入為三相交流電，經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為三相PWM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容。主要關注輸入端的功率測量，輸出端的功率測量，以及功率轉換效率。

其次橋式電路的調試和驗證也是必不可少的，這通常涉及對6個功率管的驅動電壓、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，核心是DSP或MCU，主要負責執行電機驅動算法、采集電機反饋信號以及和其他系統的通信接口。對這部分的測試涉及常規的數字電路測試，接口電路測試等。

電機和傳感器

對電機的測試主要關注輸入的電氣功率、其實就是功率驅動部分的輸出功率，電機輸出的機械參數，即轉速、扭矩、方向等，這些機械參數通常可由傳感器輸出。

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等參數，對于電機功率驅動電路的輸入和輸出功率的測量也是相同原理。為了適應多種供電方式，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-零線電壓的轉換。圖4是設置界面示意。

圖4 電機功率測試設置界面示意

功率參數的測試結果能以表格方式顯示在儀器界面上，如下圖所示。

圖5 功率數值測量結果除了圖5所示的功率參數以外，還可以觀測信號的波形，特別是能夠提取一個周期內的細節波形以供分析。另外還能對功率等參數在長時間內變動情況做數值統計。這特別適合對電機啟動和停止過程、負載變化過程做動態響應分析。例如當HDO8000存儲深度為200Mpts，采樣率設為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、相角的實時波形。下圖是一個長時間動態響應分析的例子：

圖6 電機驅動動態響應分析例子

2. 功率器件的調試和驗證

除了對功率驅動部分的輸入、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：

柵極驅動信號測量

飽和漏-源壓降

開關管瞬時功率

開關管導通和關斷損耗

開關管上電過程不同階段的損耗

動態導通電阻

安全工作區(SOA)

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

圖7 H-bridge驅動電路輸出電壓電流波形

3. 電機機械參數測量

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速、扭矩、方向、位置等機械參數，目前支持的傳感器種類有:

脈沖式轉速傳感器

霍爾傳感器

旋轉變壓器(Resolver )

正交編碼器(Quadrature Encoder )

4. 電機控制系統測試

HDO8000借助8個模擬通道和最多16個數字邏輯通道可以測量分析嵌入式系統的各種模擬和數字信號。例如嵌入式系統中常用的UART、I2C、SPI、以太網等信號，機電系統中常用的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