使用MDA810電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀進(jìn)行復(fù)雜的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交互控制測(cè)試

摘要 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試往往需要查看動(dòng)態(tài)事件中同時(shí)發(fā)生的控制 信號(hào)和功率波形，由此去理解之間因果關(guān)系，可視化動(dòng)態(tài)功率行為 隨時(shí)間的變化，以及和控制信號(hào)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(cè)量能力，非常有限的波形捕獲能力，而 且不能測(cè)量控制信號(hào)。TeledyneLecroy MDA810 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀提 供靜態(tài)功率測(cè)量和動(dòng)態(tài)功率分析能力，而且具有完整的嵌入式控制 測(cè)量能力，可以將控制信號(hào)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(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀 測(cè)量小型手持工具，這個(gè)工具采用了一個(gè)正弦調(diào)制的工作在高速模 式的永磁同步電機(jī)。電機(jī)的方向每秒反轉(zhuǎn)一次。這個(gè)測(cè)量驗(yàn)證驅(qū)動(dòng) 控制信號(hào)和工具的行為和動(dòng)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(gè)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(huì)導(dǎo)致用戶的不滿意 及其他可靠性問題。

查看控制信號(hào)和速度命令/反饋信號(hào)

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

圖 1 采集無傳感器電機(jī)的位置、速度和控制信號(hào)

通道 1 和通道 2 的信號(hào)是電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)方向的控制信號(hào)，通道 1 的 上升沿發(fā)起電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，通道 2 的下降沿表示電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)結(jié)束 的時(shí)間。采集長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)（在這個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換過程的 細(xì)節(jié)，可以清楚的展示控制信號(hào)和電機(jī)響應(yīng)的時(shí)序。同時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換 時(shí)速度的變化，如 Z4 和 Z5 所示，通過這些信號(hào)，可以看到電機(jī)反 向旋轉(zhuǎn)的很正常，和預(yù)期的一致。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出功率分析

在這個(gè)例子中，采用兩瓦特計(jì)算法分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算三相 功率值。

圖 2 是針對(duì)兩瓦特計(jì)算法的探頭連接方法。

圖 2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)連線設(shè)置-兩瓦特計(jì)算法

二瓦特計(jì)算法允許只使用四路信號(hào)就可以計(jì)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(dòng)控制信號(hào)或功率行為信號(hào)。 MDA810 也支持三瓦特計(jì)算法。 兩個(gè)高壓差分探頭（C1，黃色的波形，和 C2，紅色波形）和兩個(gè) 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(dòng)電機(jī)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(dòng)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(zhǎng)時(shí)間的一段數(shù)據(jù)，查看完整的電機(jī)旋轉(zhuǎn) 方向的變化，計(jì)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(gè)方向轉(zhuǎn)換到另一個(gè)方向的過程中消耗的能量，理 想情況是在這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)上沒有能量的急劇增加，此次采集包含兩個(gè) 電機(jī)方向轉(zhuǎn)換。

圖 4 電機(jī)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(jì)算需要的循環(huán)周期，一個(gè)信號(hào) 被選擇為“參考周期”。在 MDA810 中，這被稱為“同步”信號(hào)，同步 信號(hào)確定每周期電壓、電流、功率、效率、機(jī)械參數(shù)以及其他值的 計(jì)算測(cè)量間隔，這通常需要濾除同步信號(hào)中的高頻成分，以獲得更 好的周期性，在 MDA810 中，實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單。

圖 5 顯示的是使用 C1 線電壓作為同步信號(hào)，并應(yīng)用 500 Hz 低通濾 波的示例。圖中的同步信號(hào)是在時(shí)基 20ms/div 下采集的，以展現(xiàn)一 個(gè)清晰的同步信號(hào)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(duì)測(cè)量周期直觀的視覺識(shí)別。同步信號(hào)被查看，以 驗(yàn)證周期是否正確識(shí)別，從而確保正確的功率計(jì)算。使用 MDA810 的 彩色疊加查看方式，很容易驗(yàn)證測(cè)量周期是否正確確定。

圖 5 同步信號(hào)的彩色疊加

一旦確認(rèn)測(cè)量周期被正確確定了，同步信號(hào)就可以關(guān)閉了。 圖 6 和圖 4 采集的信號(hào)相同，但是增加了旋轉(zhuǎn)方向反向控制信號(hào)和 各種數(shù)值表和統(tǒng)計(jì)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(jì)算值表和圖形

在這個(gè)例子中，我們最感興趣是在數(shù)值表中顯示的電機(jī)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(cè)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(cè)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(cè)量值隨時(shí)間變化的合成圖，時(shí)間是和 原始采集波形相關(guān)的，通過觸摸或點(diǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)輸出和電機(jī)的動(dòng)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(jī)方向轉(zhuǎn)換過程中的每周期波形，提供了洞察 每個(gè)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(jī)是一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)換過程，我們可以使用 MDA810 強(qiáng)大的 Zoom+Gate 功能。Zoom+Gate 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法放大 所有的輸入源，細(xì)化波形和同步信號(hào)，可以將放大窗口設(shè)置在波形的 任何部分，這個(gè)常用的縮放窗口被作為一個(gè)數(shù)值統(tǒng)計(jì)表的測(cè)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(gè)旋轉(zhuǎn) 方向的轉(zhuǎn)變到另一個(gè)方向，這是一個(gè)完整的循環(huán)周期如 DrvOutSyncZ 同步信號(hào)，每周期波形和統(tǒng)計(jì)表所示。

圖 7 Zoom+Gate 顯示電機(jī)轉(zhuǎn)換區(qū)域

在方向轉(zhuǎn)換過程中的功耗是 3.894W，對(duì)于待測(cè)電機(jī)來說，這是合 理的。 通過確定在操作過程中的熱損失?？梢赃M(jìn)一步分析電機(jī)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(shí)， 同時(shí)測(cè)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(jì)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(jìn)行功率計(jì)算。它可以被定義在 交流輸入和驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)算中的唯一的差異是測(cè)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(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作周期。在測(cè)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(cè)量值。使用游標(biāo)，我們可以測(cè)量電機(jī)的運(yùn)行周期的時(shí)間，然后 從功率參數(shù)計(jì)算出焦耳。

圖 8 計(jì)算繞線損耗

在數(shù)值測(cè)量表中顯示 ΣABC 的功率值為 3.668 W，使用游標(biāo)測(cè)量的 時(shí)間長(zhǎng)度是 907.68ms，這個(gè)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(jì)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(gè)工具在一個(gè)方向切換 到另一個(gè)方向的繞組熱損耗 讓我們來再看一個(gè)例子，其中的功率波形表明一些問題與電機(jī)運(yùn)行有 關(guān)。在下面的這個(gè)例子中，我們使用兩瓦特布線配置測(cè)試相同的電機(jī)。 它也可以顯示電機(jī)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(hào)（圖 9），值得注意的是，在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的每周期 P（ΣRST）和 S（ΣRST） 功率波形平滑一致，在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在信號(hào)中有一個(gè)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(shí)針時(shí)的震蕩

觀察到這種振蕩后，進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電機(jī)交換相關(guān)的問 題。這個(gè)問題又被追溯到一個(gè)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(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)顯示平滑的功率波形

總結(jié)

能夠查看電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出波形和測(cè)量電機(jī)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，包括動(dòng)態(tài)功 率值，將動(dòng)態(tài)行為和控制系統(tǒng)動(dòng)作關(guān)聯(lián)起來，可以提供對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)整體性能有價(jià)值的洞察。使用 MDA810 功能強(qiáng)大的工具和動(dòng)態(tài)測(cè) 試能力，相比功率分析儀靜態(tài)的測(cè)試能力，帶來對(duì)這些事件更深入的 理解。MDA810 動(dòng)態(tài)功率測(cè)量以及完整的嵌入式控制測(cè)試能力,將功 率事件和控制信號(hào)關(guān)聯(lián)起來，提供對(duì)完整電機(jī)測(cè)試無與倫比的調(diào)試和 分析。