使用MDA8108HD電機驅動分析儀進行復雜的電機驅動和交互控制測試

電機驅動控制系統的調試往往需要查看動態事件中同時發生的控制信號和功率波形，由此去理解之間因果關系，可視化動態功率行為隨時間的變化，以及和控制信號的關聯。

傳統的功率分析儀僅僅提供靜態的功率（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 MDA8108HD電機驅動分析儀提供靜態功率測量和動態功率分析能力，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聯起來。

引論

下面的示例演示了利用Teledyne LeCroy MDA8108HD電機驅動分析儀測量小型手持工具，這個工具采用了一個正弦調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一次。

這個測量驗證驅動控制信號和工具的行為和動態功率行為的相關性，包括方向轉換過程中的功耗和在每個旋轉方向上功耗的差異。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方向的控制信號，通道1的上升沿發起電機反向旋轉，通道2的下降沿表示電機反向旋轉結束的時間。采集長時間的數據（在這個例子中是5s）,可以查看很多的轉換周期。

放大的波形（右邊的柵格中）顯示其中一個轉換過程的細節，可以清楚的展示控制信號和電機響應的時序。同時監測轉換時速度的變化，如Z4和Z5所示，通過這些信號，可以看到電機反向旋轉的很正常，和預期的一致。

電機驅動輸出功率分析

在這個例子中，采用兩瓦特計算法分析電機驅動的數據，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 電機驅動連線設置-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的功率，留下更多的通道可以捕獲其他的驅動控制信號或功率行為信號。MDA8108HD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，這和三相系統的預期是一致的。

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，噪聲是驅動輸出開關器件的特性導致的。使用傳統的8位示波器，是觀察不到的，但MDA8108HD 12位采集系統具有觀察這種細節所需的分辨率。

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據，查看完整的電機旋轉方向的變化，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換。

圖4 電機方向轉換過程的采集

為了確定所有的電壓、電流和功率計算需要的循環周期，一個信號被選擇為“參考周期”。

在MDA8108HD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MDA8108HD中，實現起來非常簡單。

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。

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MDA8108HD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

一旦確認測量周期被正確確定了，同步信號就可以關閉了。

圖6和圖4采集的信號相同，但是增加了旋轉方向反向控制信號和各種數值表和統計值，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、相位角，以及這些測量參數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聯的，通過觸摸或點擊數字表格單元格的值就可以創建，這些每周期波形清楚的顯示了電機驅動輸出和電機的動態行為，僅僅查看數值表中的值，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。

讓我們仔細觀察感興趣的其中一個轉換過程，我們可以使用MDA8108HD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，細化波形和同步信號，可以將放大窗口設置在波形的任何部分，這個常用的縮放窗口被作為一個數值統計表的測量門限使用。

圖7顯示的是使用Zoom+Gate限定感興趣的區域–從一個旋轉方向的轉變到另一個方向，這是一個完整的循環周期如DrvOutSyncZ同步信號，每周期波形和統計表所示。

圖7 Zoom+Gate顯示電機轉換區域

在方向轉換過程中的功耗是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?？梢赃M一步分析電機的功耗，我們可以通過設置MDA8108HD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，諧波濾波器的設置定義了濾波器，將它應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動輸出。

舉例來說，交流輸入諧波濾波器設置為全頻譜和驅動器輸出的諧波濾波器設置為基本頻譜。電壓和電流輸入設置為相同的通道。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工作周期。在測量值表中的ΣABC參數代表全頻譜的功率值，而ΣRST參數代表基本頻譜測量值。

使用游標，我們可以測量電機的運行周期的時間，然后從功率參數計算出焦耳。將瓦特轉換為焦耳的公式如下：

E(J)=P(W)?t(s)E(J)=P(W)?t(s)

圖8 計算繞線損耗

在數值測量表中顯示ΣABC的功率值為3.668 W，使用游標測量的時間長度是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。

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，在順時針旋轉的每周期P（ΣRST）和S（ΣRST）功率波形平滑一致，在逆時針旋轉，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，進一步的調查發現了一個與電機交換相關的問題。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時顯示平滑的

功率波形

總結

能夠查看電機驅動輸出波形和測量電機的動態運行特性，包括動態功率值，將動態行為和控制系統動作關聯起來，可以提供對電機驅動系統整體性能有價值的洞察。

使用MDA8108HD功能強大的工具和動態測試能力，相比功率分析儀靜態的測試能力，帶來對這些事件更深入的理解。MDA8108HD動態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聯起來，提供對完整電機測試無與倫比的調試和分析。