PWM占空比趨勢測量可快速分析電機運行異常

　　對于電機控制來(lái)說(shuō)，占空比是一項直接影響控制精度的關(guān)鍵參數，而如何快速分析出占空比變化的趨勢，正是分析這一問(wèn)題的核心。只要有了占空比變化趨勢曲線(xiàn)，電機異常運行的原因自然就浮出水面。

　　1、PWM占空比概述

　　脈沖寬度調制(PWM)是一種對模擬信號進(jìn)行數字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來(lái)對一個(gè)具體模擬信號進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時(shí)刻，滿(mǎn)幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去。通的時(shí)候即是直流供電被加到負載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。而占空比就是高電平持續時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值，占空比越大，高電平持續的時(shí)間越長(cháng)，模擬電路開(kāi)通的時(shí)間就越長(cháng)，如圖1所示。

　　圖1 占空比含義

　　2、什么是占空比趨勢測量?

　　要測量占空比趨勢首先要測量占空比，占空比測量方法是使用超高速ADC采樣PWM波形，然后通過(guò)可編程邏輯器件FPGA測量高電平脈寬t和周期T計算出占空比。占空比趨勢測量則是對每一個(gè)PWM波的占空比測量并存儲下來(lái)，最后顯示在屏幕上，如圖2所示。一個(gè)PWM波對應一個(gè)占空比值，顯示在屏幕上并且連線(xiàn)，這樣就可以很直觀(guān)的看到所有PWM波形的占空比變化趨勢。

　　圖2 占空比趨勢測量

　　示波器的存儲深度對占空比趨勢測量影響很大，所謂趨勢趨勢，即是長(cháng)時(shí)間的變化動(dòng)向，如果存儲深度小，那么所記錄的時(shí)間就很短，采樣的波形也就很少，對于分析趨勢就沒(méi)有意義。目前ZDS4000系列示波器存儲深度高達512Mpts，可以在高采樣率下存儲數十秒的波形，比較適合分析信號變化趨勢。

　　3、實(shí)例應用與分析

　　某使用PWM波形驅動(dòng)的直流電機在加速過(guò)程中存在微小抖動(dòng)情況，觀(guān)察電機轉速波形如圖3所示，開(kāi)始加速后大約在3.6秒轉速出現一個(gè)下拉動(dòng)作。電機PWM調速原理是通過(guò)改變接通脈沖的寬度，使直流電機電樞上電壓的占空比改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉速。因此基本可以確定這個(gè)轉速下拉動(dòng)作是由于PWM波占空比出現異常引起的。

　　圖3 電機轉速異常

　　為了確定具體的問(wèn)題，使用ZDS4000系列示波器采樣電機啟動(dòng)后的PWM波形，設置為單次上升沿觸發(fā)，采樣時(shí)間大概為7秒，波形如圖4所示，由于采樣的時(shí)間長(cháng)，波形多，完全是密密麻麻，什么細節都看不到，開(kāi)啟測量和統計功能，可以看到信號周期、頻率、占空比Current、Max、Min和相關(guān)計算值，但是還是找不到異常的占空比波形。

　　圖4 PWM波形和測量

　　這個(gè)時(shí)候用ZDS4000系列示波器新開(kāi)發(fā)獨特的占空比趨勢測量功能，將每一個(gè)PWM波的占空比顯示在屏幕上，點(diǎn)擊示波器數學(xué)運算Math按鍵，模式選擇趨勢圖，類(lèi)型選擇占空比，示波器會(huì )自動(dòng)檢測PWM波的周期和閾值，無(wú)需過(guò)多設置，就可以快速出波形，波形如圖5所示。屏幕上除了通道1，還多了MATH通道，顏色為紫色，MATH通道顯示的即是占空比趨勢，可以看到占空比緩慢遞增后大約在屏幕中間位置出現了異常。和通道1一樣，MATH通道也可以調節垂直檔位和偏移。

　　圖5 占空比趨勢波形

　　定位到占空比異常位置后，開(kāi)啟示波器縮放模式下ZOOM多窗口顯示功能，對信號進(jìn)行局部放大，如圖6所示，可以清晰的看到占空比異常的細節，同時(shí)開(kāi)啟對ZOOM1窗口數據的測量和統計，可以看到占空比從正常的59.62%變?yōu)?.99%左右。

　　圖6 ZOOM模式放大

　　ZDS4000系列示波器不僅僅可以分析占空比趨勢，還可以分析周期和頻率變化趨勢，結合強大的測量功能。