脈寬調制(PWM) 馬達驅動器電源的測試分析

圖10. 三相三線連接

在這個線路配置中，可能使用分析儀的第三通道和第四通道，以測量驅動器輸出或驅動器內的直流總線。

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

8.損耗與效率測量對任意系統，要想對其損耗和效率進行測量，最好對系統輸入和輸出進行同步測量，如圖11 所示。
圖11. 效率測量圖 對于高效系統( 如脈寬調制驅動器) 來說，這一點特別重要。這是因為，如果對輸出和輸出分開測量，而且在測量之間關閉系統來切換儀器，那么就不能始終確保兩個測量具有完全相同的負載條件。如果忽視負載條件的任何差異，那么都會導致測得損耗的誤差。 例如:設置Number 1 — 測量輸入。

關閉系統，重新連接輸出測量，并再次開啟系統：設置Number 2 — 測量輸出( 但條件稍微變化)。
表現損耗 = 1052.6 W - 1020 W = 32.6 W實際損耗 = 1073.7 W - 1020 W = 53.7 W這說明測得的損耗誤差非常大!為了避免這類誤差，您可以使用4 通道儀器，如PA4000 功率分析儀，它能夠對驅動器輸入和輸出同時進行兩表法測量，如圖12所示。
圖12. 利用兩表法實現PA4000 與驅動器輸入、輸出端連接 使用這個方法將確保精確測量，即使輸入和輸出測量之間的條件可能稍有變化。條件的稍微變化無關緊要，因為每次效率測量都是同步測量。

9.進行連接

對馬達驅動器進行電壓連接通常只是小事一樁，因為對各相之間電壓進行測量。進行電流連接則更具挑戰。進行電流連接主要有兩種方式。第一種是方式“分割”導 體，并使電流通過電流分流器，然后測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，但當電流較高時，則行不通。 對于大電流，可能使用電流傳感器。通常，這涉及到使初級電流載流導體與電流測量設備相連。測量設備生成一個與初級電流成比例的次級電流。 一般情況下，這需要通過電流測量裝置的初級載流導體傳遞。測量設備創建一個與初級電流成比例的次級電流。

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：

1. 正在測量的信號可能與測量設備不兼容。例如，大部分測試臺儀器無法測量超過100 A 的電流，而這么大的電流是大型馬達和驅動器中常見的。

2. 消除測量儀器與測量信號的耦合。在脈寬調制驅動器中，快速開關電壓(dV/dt) 往往造成正在測量的輸出信號具有很大的共模分量。高共模電壓給電流測量帶來不確定性。使用電流傳感器隔離分析儀的電流輸入和電壓波動，從而消除因共模引起的不確定性。

3. 為了便利和安全。在馬達系統中往往存在高壓，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。

選擇正確的電流傳感器電流傳感器有許多種，在馬達測量中使用的4 種最常見電流傳感器是：

1. 電流鉗

2. 閉環霍爾效應

3. IT 型閉環

4. 電流互感器

為了在馬達驅動器的典型信號帶寬中實現最佳性能，應使用閉環傳感器。在驅動器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅動器輸出中效果則不好。這是因為電流互感器在低頻（低驅動速度）性能不佳，而且將限制測量與開關有關高頻頻率的能力。

當選擇傳感器時，重要的是考慮正在測量的信號和測量設備。選擇與需要測量的最大信號（包括峰值）相對應的最大輸入范圍傳感器。這將充分發揮傳感器范圍的效用。

您還希望對測量設備而言，在不引起過沖的前提下，傳感器輸出信號盡可能大。輸入信號越大，信噪比越高，測量結果越好。 使用電流傳感器對于閉環霍爾效應電流傳感器，應當謹慎進行連接。將為傳感器提供電源。電源通常包括正電源和負電源，而且必須提供足夠電流，通常為10mA ～ 50mA。

傳感器應當盡可能靠近測量儀器，以降低次級引線的電壓和磁場耦合。 傳感器輸出是單一電流輸出，信號和電源公用回路。該輸出應當直接與測量設備電流輸入的高端連接。測量設備電流輸入的低端應當連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線應當盡可能短。輸出應當靠近電源連接。從理想角度看， 3 條線應當絞合在一起。 在脈寬調制驅動器環境中，在需要情況下，接地和屏蔽是一個好習慣。

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

屏蔽將保護電源連接與信號。 如果初級載體中電流占額定電流百分率較低，或者同測量儀器可用的電流量程相比，傳感器輸出較低，那么通過讓電流多次通過傳感器核心，可以改進電路性能。

例如， 如果您只有1000A 輸入、1A 輸出(1000:1)傳感器，但您希望測量10A 電流，且輸出電流只有10mA。為了更好地使用測量系統，使初級導體通過傳感器10 次，將使輸出電流增加至100mA。從初級載體角度看，初級電流從10A 增加至100A。 對于不同類型的電流傳感器，為正確地讀取電流，需要對測量儀器進行比例縮放。以1000:1 電流傳感器為例，實際測量的電流是真實電流的1/1000。因此，電流輸入需要擴大1000 倍。 電流傳感器與PM4000 一起使用PA4000 的設計目的是與外部傳感器一起使用。

其設計特性包括：

1. 可選擇+/-15V 電源，與許多常用的閉環電流傳感器一起使用。

2. 每通道電流單獨縮放。

3. 后面板接地連接，簡化電流測量低連接的屏蔽與接地。

4. 內建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，內建1A 分流器是個不錯的選擇。

為了獲得精確的測量，只需要為儀器配置兩個參數：

1. 分流器選擇。這是在每組基礎上設置的。

2. 電流輸入比例因子。這是在每通道基礎上設置的。比例因子是:

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

圖13. 使用閉環電流傳感器與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 個連接器應當絞合在一起并進行屏蔽，屏蔽連接至傳感器電源公共端。傳感器電源公共端應當與PA4000 后面板的接地端相連。

10.動態負載條件下的驅動器性能

脈寬調制驅動器的功耗和輸出特性隨著馬達負載變化。雖然您的測試協議可能調用具體線路或負載條件下的測試 ，但您可能還需要檢查變化條件下的功率特性。對負載變化期間的功率特性進行分析可能產生大量數據，不過，有了適當的軟件和相配的分析儀，您可以隨著負載或 其他條件變化，利用計算機來搜集和分析測量數據。

在這些應用中，功率分析儀就像一個精密測量系統，快速向計算機反饋數據，并存儲數據，用于進一步分析。 圖14 給出泰克PWRVIEW 軟件收集的來自PA4000功率分析儀的測量數據，PA4000 利用單相線路輸入和三相驅動器輸出與脈寬調制驅動器相連。除了收集數據，該軟件還允許您對分析儀進行控制，這樣可以在計算機上對其進行配置。

圖15 給出三相輸入讀數的實例，包括詳細的電壓、電流和功率諧波圖。

圖14. PWRVIEW軟件顯示出脈寬調制馬達驅動器的多個功率參數。

圖15. 記錄隨時間變化的測量數據，并繪制圖表( 如這里所示的Microsoft Excel)。該圖給出馬達啟動期間的測量數據。

11.結束語

目前，脈寬調制馬達驅動器正成為變速馬達控制的主要方法，不僅用于工業領域，而且用于電動汽車和家用空調機等諸多領域。脈寬調制驅動器產生復雜波形，無論 是其輸出至馬達，還是為驅動器提供電源。泰克PA4000 功率分析儀利用業界首創的螺旋分流(SpiralShuntTM) 技術以及動態頻率同步技術解決這個問題，實現對驅動器基頻的穩定跟蹤。 這項技術加上脈寬調制輸出的特殊運行模式，可提供持續的精確測量。該技術對數據進行高速采樣，對其總體數量( 包括所有諧波和載波分量) 進行實時計算。與此同時，它對采樣數據進行數字化濾波，提供低頻測量，如基頻測量和輸出頻率測量，使得PA4000 成為脈寬調制驅動器測量的理想解決方案。