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脈寬調制(PWM) 馬達驅動(dòng)器電源的測試分析（上）
作者：
時(shí)間：2017-01-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1.概述
自電機工程誕生以來(lái)，三相交流馬達一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修。此外，交流馬達（如感應馬達和磁阻馬達）無(wú)需與轉子的電氣連接，因此很容易實(shí)現阻燃，用于危險環(huán)境（如礦山）。
為了提供適當的交流馬達速度控制，必須為馬達提供三相電源，其電壓和頻率可以變化。這種電源將在定子中形成一個(gè)變速旋轉磁場(chǎng)，使得轉子按照所需的速度旋轉，且滑動(dòng)很小，如圖1所示。這個(gè)交流馬達驅動(dòng)器可以高效提供從零速到全速的全轉矩，如果需要的話(huà)，還可以超速，而且通過(guò)改變相位旋轉，可以很容易使馬達雙向運轉。具有這些特點(diǎn)的驅動(dòng)器稱(chēng)作脈寬調制馬達驅動(dòng)器。
交流馬達驅動(dòng)系統示意圖
脈寬調制驅動(dòng)器可以生成復雜波形，如在到馬達的輸出上，以及到驅動(dòng)器的電源上。本博文將分兩部分，探討馬達驅動(dòng)器的電氣測量話(huà)題。
2.對脈寬調制馬達驅動(dòng)器的測量
表1給出了脈寬調制馬達驅動(dòng)器的典型測量。
表1. 常見(jiàn)的脈寬調制馬達驅動(dòng)器測量
3.馬達輸出測量
圖1說(shuō)明，通過(guò)在馬達輸出軸安裝轉速和轉矩傳感器，可以對馬達輸出進(jìn)行測量。
圖1.馬達輸出測量
3.1轉矩和轉速傳感器
轉矩和轉速傳感器生成的電信號與轉矩和轉速成正比。通過(guò)測量這些信號，可以確定馬達的轉速和轉矩，從這些測量結果中可以計算馬達輸出功率。
3.2轉矩
馬達轉矩是在其輸出軸上形成的旋轉力，它是一個(gè)扭力，其單位是牛頓米(Nm)或英尺磅(1英尺磅=1.3558 Nm)。對于小型馬達而言，其轉矩額定值低于1 Nm；對于大型馬達而言，其轉矩額定值達到幾千Nm。
通過(guò)旋轉應變計以及利用固定接近、磁致伸縮和磁彈性傳感器，可以測量轉矩。這些傳感器都是溫度敏感型的。旋轉傳感器必須安裝在轉軸上，由于空間受限，這并非總能行得通。
為測量轉矩，應變計往往直接安裝在轉軸上。由于轉軸旋轉，轉矩傳感器必須通過(guò)滑環(huán)、無(wú)線(xiàn)通信或電感耦合與外邊世界耦合。
3.3轉速
馬達轉速通常以每分鐘轉速(RPM)來(lái)描述，即它在1分鐘內沿固定軸旋轉的完整圈數。
轉速傳感器輸出可能是一個(gè)與轉速成正比的模擬電壓。更普遍的是，轉速傳感器輸出是一個(gè)由馬達轉軸上圓盤(pán)生成的TTL脈沖。通過(guò)測量TTL信號頻率，并應用比例因數，可以確定馬達轉速。
例如，如果轉盤(pán)每轉一圈生成n個(gè)脈沖，那么每分鐘轉速(RPM)可以計算為：
3.4實(shí)現轉矩和轉速測量與電氣測量相結合
為了確定馬達和驅動(dòng)器組合的效率，必須考慮系統的電氣輸入以及在馬達輸出端生成的機械功率。馬達輸出功率是轉矩和轉速的乘積：
馬達輸出功率(W)=轉矩(Nm)× 轉速(弧度/秒)
= 轉矩(Nm)× 轉速(RPM)×
注意：1ft-lb=1.3558Nm(牛頓米)
1HP=745.7W
通過(guò)以下公式，可以計算系統效率：
為了進(jìn)行這些測量，PA4000包括傳感器輸入端，用于連接轉矩和轉速傳感器。通過(guò)測量驅動(dòng)器輸入端消耗的電力、以及馬達輸出端的轉矩和轉速，使用一臺儀器就可以測量出系統效率。
4.驅動(dòng)器輸出測量
脈寬調制驅動(dòng)器的輸出波形非常復雜，由一系列高頻分量(因載波)和低頻分量(因基波)組合而成。
對大多數功率分析儀來(lái)說(shuō)，這帶來(lái)的問(wèn)題是：如果在高頻測量，那么波形中的低頻信息將丟失；如果濾除脈寬調制波形在低頻測量，那么高頻數據將丟失。這個(gè)難題的出現是因為在低頻對波形進(jìn)行調制。因此，高頻測量(如總電壓有效值、總功率等)必須在高頻處進(jìn)行，但必須超出輸出波形低頻分量的整數倍。
泰克PA4000功率分析儀利用脈寬調制輸出測量的特殊工作模式克服了這個(gè)難題。它對數據進(jìn)行高速采樣，并實(shí)時(shí)計算總體數量，包括所有諧波和載波分量。與此同時(shí)，對采樣數據進(jìn)行數字化濾波，提供低頻測量，如輸出頻率的基波分量和測量。
圖2. 高精度PA4000測量技術(shù)
除了從同一測量中獲得低頻和高頻結構外，該技術(shù)允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩定的高頻測量結果的唯一方法。
技術(shù)專(zhuān)區
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