使用MDA810電機驅(qū)動分析儀進行復(fù)雜的電機驅(qū)動和交互控制測試

摘要 電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的調(diào)試往往需要查看動態(tài)事件中同時發(fā)生的控制 信號和功率波形，由此去理解之間因果關(guān)系，可視化動態(tài)功率行為 隨時間的變化，以及和控制信號的關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的功率分析儀僅僅提 供靜態(tài)的功率（平均值）測量能力，非常有限的波形捕獲能力，而 且不能測量控制信號。TeledyneLecroy MDA810 電機驅(qū)動分析儀提 供靜態(tài)功率測量和動態(tài)功率分析能力，而且具有完整的嵌入式控制 測量能力，可以將控制信號和功率事件關(guān)聯(lián)起來。

引論 下面的示例演示了利用 Teledyne LeCroy MDA810 電機驅(qū)動分析儀 測量小型手持工具，這個工具采用了一個正弦調(diào)制的工作在高速模 式的永磁同步電機。電機的方向每秒反轉(zhuǎn)一次。這個測量驗證驅(qū)動 控制信號和工具的行為和動態(tài)功率行為的相關(guān)性，包括方向轉(zhuǎn)換過 程中的功耗和在每個旋轉(zhuǎn)方向上功耗的差異。目的是要了解和減少 在這期間不必要的功耗，如果功耗太高，可能會導(dǎo)致用戶的不滿意 及其他可靠性問題。

查看控制信號和速度命令/反饋信號

圖 1 的例子展示的是使用 5 個 12bit，1GHz 的采集通道查看兩路控 制信號（C1 和 C2）、輪子的編碼位置信號（C3）,電機的實際速度 （C4）和控制速度（C5）。測試工程師設(shè)計了一塊外部控制板處理 C3 和 C4 的信號。這是由于這臺電機是一臺無傳感器電機，這塊外 部控制板僅僅是為了測試使用，不是最終產(chǎn)品的一部分。

圖 1 采集無傳感器電機的位置、速度和控制信號

通道 1 和通道 2 的信號是電機控制旋轉(zhuǎn)方向的控制信號，通道 1 的 上升沿發(fā)起電機反向旋轉(zhuǎn)，通道 2 的下降沿表示電機反向旋轉(zhuǎn)結(jié)束 的時間。采集長時間的數(shù)據(jù)（在這個例子中是 5s）,可以查看很多的 轉(zhuǎn)換周期。放大的波形（右邊的柵格中）顯示其中一個轉(zhuǎn)換過程的 細(xì)節(jié)，可以清楚的展示控制信號和電機響應(yīng)的時序。同時監(jiān)測轉(zhuǎn)換 時速度的變化，如 Z4 和 Z5 所示，通過這些信號，可以看到電機反 向旋轉(zhuǎn)的很正常，和預(yù)期的一致。

電機驅(qū)動輸出功率分析

在這個例子中，采用兩瓦特計算法分析電機驅(qū)動的數(shù)據(jù)，計算三相 功率值。

圖 2 是針對兩瓦特計算法的探頭連接方法。

圖 2 電機驅(qū)動連線設(shè)置-兩瓦特計算法

二瓦特計算法允許只使用四路信號就可以計算三相系統(tǒng)的功率，留 下更多的通道可以捕獲其他的驅(qū)動控制信號或功率行為信號。 MDA810 也支持三瓦特計算法。 兩個高壓差分探頭（C1，黃色的波形，和 C2，紅色波形）和兩個 電流探頭（C5 和 C6，綠色的波形，紫色的波形）連接到如圖 2 中 的電路配置圖描述的驅(qū)動電機的輸出。

圖 3 顯示了單次采集到的線

電壓和線電流波形。該線路的電壓波形和線路電流波形相位差是 120 度，這和三相系統(tǒng)的預(yù)期是一致的。在圖 3 右邊波形是左邊波 形的放大。沒有放大波形顯示有很多噪聲，但是放大的波形表明， 噪聲是驅(qū)動輸出開關(guān)器件的特性導(dǎo)致的。使用傳統(tǒng)的 8 位示波器， 是觀察不到的，但 MDA810 12 位采集系統(tǒng)具有觀察這種細(xì)節(jié)所需 的分辨率。

圖 3 采集線電壓和線電流

然后如圖 4 所示，采集很長時間的一段數(shù)據(jù)，查看完整的電機旋轉(zhuǎn) 方向的變化，計算方向變化之前，變化期間和之后的功率。其中感 興趣的是在從一個方向轉(zhuǎn)換到另一個方向的過程中消耗的能量，理 想情況是在這個轉(zhuǎn)折點上沒有能量的急劇增加，此次采集包含兩個 電機方向轉(zhuǎn)換。

圖 4 電機方向轉(zhuǎn)換過程的采集

為了確定所有的電壓、電流和功率計算需要的循環(huán)周期，一個信號 被選擇為“參考周期”。在 MDA810 中，這被稱為“同步”信號，同步 信號確定每周期電壓、電流、功率、效率、機械參數(shù)以及其他值的 計算測量間隔，這通常需要濾除同步信號中的高頻成分，以獲得更 好的周期性，在 MDA810 中，實現(xiàn)起來非常簡單。

圖 5 顯示的是使用 C1 線電壓作為同步信號，并應(yīng)用 500 Hz 低通濾 波的示例。圖中的同步信號是在時基 20ms/div 下采集的，以展現(xiàn)一 個清晰的同步信號的，它和圖 4 中 200 ms/div 的采集沒有直接相關(guān)。 彩色的覆蓋提供了對測量周期直觀的視覺識別。同步信號被查看，以 驗證周期是否正確識別，從而確保正確的功率計算。使用 MDA810 的 彩色疊加查看方式，很容易驗證測量周期是否正確確定。

圖 5 同步信號的彩色疊加

一旦確認(rèn)測量周期被正確確定了，同步信號就可以關(guān)閉了。 圖 6 和圖 4 采集的信號相同，但是增加了旋轉(zhuǎn)方向反向控制信號和 各種數(shù)值表和統(tǒng)計值，以及其他的波形。采集的波形是電壓（C1 和 C2），電流（C5 和 C6）,控制（C4）。

圖 6 功率計算值表和圖形

在這個例子中，我們最感興趣是在數(shù)值表中顯示的電機的電壓有效 值、電流有效值，有功功率，視在功率、無功功率、功率因數(shù)、相 位角，以及這些測量參數(shù)在所有采集波形中的平均值，很像功率分 析儀的功率測量功能。P（ΣRST）和 S（Σ（RST）波形（在右下 角疊加在一起）是每周期的測量值隨時間變化的合成圖，時間是和 原始采集波形相關(guān)的，通過觸摸或點擊數(shù)字表格單元格的值就可以 創(chuàng)建，這些每周期波形清楚的顯示了電機驅(qū)動輸出和電機的動態(tài)行 為，僅僅查看數(shù)值表中的值，有些東西是無法查看到的。查看有功 功率和視在功率在電機方向轉(zhuǎn)換過程中的每周期波形，提供了洞察 每個方向變化中的功耗的能力，在這樣的應(yīng)用中，這是非常重要 的，由于我們使用的演示電機是一個手持工具的一部分，需要功耗 被最小化。 讓我們仔細(xì)觀察感興趣的其中一個轉(zhuǎn)換過程，我們可以使用 MDA810 強大的 Zoom+Gate 功能。Zoom+Gate 提供了一個簡單的方法放大 所有的輸入源，細(xì)化波形和同步信號，可以將放大窗口設(shè)置在波形的 任何部分，這個常用的縮放窗口被作為一個數(shù)值統(tǒng)計表的測量門限使 用。圖 7 顯示的是使用 Zoom+Gate 限定感興趣的區(qū)域–從一個旋轉(zhuǎn) 方向的轉(zhuǎn)變到另一個方向，這是一個完整的循環(huán)周期如 DrvOutSyncZ 同步信號，每周期波形和統(tǒng)計表所示。

圖 7 Zoom+Gate 顯示電機轉(zhuǎn)換區(qū)域

在方向轉(zhuǎn)換過程中的功耗是 3.894W，對于待測電機來說，這是合 理的。 通過確定在操作過程中的熱損失。可以進一步分析電機的功耗，我 們可以通過設(shè)置 MDA810 的諧波濾波器，在全頻譜和基本頻譜時， 同時測量有功功率。比較這些結(jié)果后，我們可以用全頻譜和基本頻 譜有功功率之間的差異，計算繞組的熱損失，諧波濾波器的設(shè)置定 義了濾波器，將它應(yīng)用到輸入波形進行功率計算。它可以被定義在 交流輸入和驅(qū)動輸出。 舉例來說，交流輸入諧波濾波器設(shè)置為全頻譜和驅(qū)動器輸出的諧波濾 波器設(shè)置為基本頻譜。電壓和電流輸入設(shè)置為相同的通道。所以在功 率計算中的唯一的差異是測量的諧波。圖 8 和圖 7 采集的波形是相 同的，但是使用 Zoom+Gate 限定一個電機的旋轉(zhuǎn)工作周期。在測量 值表中的 ΣABC 參數(shù)代表全頻譜的功率值，而 ΣRST 參數(shù)代表基本 頻譜測量值。使用游標(biāo)，我們可以測量電機的運行周期的時間，然后 從功率參數(shù)計算出焦耳。

圖 8 計算繞線損耗

在數(shù)值測量表中顯示 ΣABC 的功率值為 3.668 W，使用游標(biāo)測量的 時間長度是 907.68ms，這個值可以在圖 8 右下角的 Δx 處看到。使 用公式轉(zhuǎn)換為焦耳，能源消耗 ΣABC 的能量消耗是 3.33 焦耳。在 ΣRST 上用同樣的方法，我們計算所消耗的能量為 2.51 焦耳。兩者 相減，我們得到 0.82 焦耳。0.82 焦耳代表這個工具在一個方向切換 到另一個方向的繞組熱損耗 讓我們來再看一個例子，其中的功率波形表明一些問題與電機運行有 關(guān)。在下面的這個例子中，我們使用兩瓦特布線配置測試相同的電機。 它也可以顯示電機的位置（C3：編碼器的位置，C7：無位置傳感器）、 控制（C4）、速度（C8）、功率（P（ΣRST）和 S（ΣRST））信號（圖 9），值得注意的是，在順時針旋轉(zhuǎn)的每周期 P（ΣRST）和 S（ΣRST） 功率波形平滑一致，在逆時針旋轉(zhuǎn)，在信號中有一個振蕩。這可以通 過在圖 9 右上角的功率波形觀察到。

圖 9 無傳感器功率波形顯示逆時針時的震蕩

觀察到這種振蕩后，進一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)了一個與電機交換相關(guān)的問 題。這個問題又被追溯到一個無傳感器控制問題。無傳感器控制問 題校正后的功率波形如圖 10 所示。

圖 10 無傳感器電機逆時針旋轉(zhuǎn)時顯示平滑的功率波形

總結(jié)

能夠查看電機驅(qū)動輸出波形和測量電機的動態(tài)運行特性，包括動態(tài)功 率值，將動態(tài)行為和控制系統(tǒng)動作關(guān)聯(lián)起來，可以提供對電機驅(qū)動系 統(tǒng)整體性能有價值的洞察。使用 MDA810 功能強大的工具和動態(tài)測 試能力，相比功率分析儀靜態(tài)的測試能力，帶來對這些事件更深入的 理解。MDA810 動態(tài)功率測量以及完整的嵌入式控制測試能力,將功 率事件和控制信號關(guān)聯(lián)起來，提供對完整電機測試無與倫比的調(diào)試和 分析。