1、 电机驱动测试白皮书 电机驱动器的结构和运行 电机驱动器的验证评估 功率及效率的测量 电机输出-转速、转矩和位置的测量 谐波的分析 控制系统的分析 总结 电机驱动器的结构和运行 电机驱动器，又称为变频器或者变速器，是一种通过改变电机输入信号的频率和幅度来调整电机转速和转矩的控制器。在很多的应用中，我们不需要电机始终全速运行，要求转速和负载要求相匹配，这可以大大降低能耗，提高能源效率。电机系统在当今工业中消耗了了超过 65的功耗。由于电动机的功耗与速度的 三次方成正比，将速度降低一半，功率消耗将降低到原来的八分之一，当以较低的转速提供可接受的性能时，效率的将显着提高。 通过安装或升级电机驱动器来

2、优化电机控制系统，可以将设备的能耗降低多达 70。以最有效的速度运行电机，可以延长电机的寿命，减少维护的时间，电机驱动器将为电机提供更好的保护，防止过热过载，相位保护，欠压，过压等问题。 典型的电机驱动器结构如下， 图 1 典型的电机驱动器的结构 电机驱动器可以像单相输入/输出驱动器一样简单，仅用于控制电机转速，无需传感器输入（ “无传感器” ） ，典型应用就是控制吊扇速度和方向的变速控制。再者， 电机驱动器也可以非常复杂， 三相输入/输出， 采用许多精密传感器输入和复杂的算法处理，在任何一个旋转方向提供精确的速度和扭矩控制，这种驱动器可以处理大范围变化的负载。 电机驱动器器将直流电转换为施加

3、到电机定子上的脉宽调制（PWM）交流信号。以电池供电的驱动器不需要整流，而以交流市电为电源的驱动器需要整流 和滤波以获得稳定的直流总线。 图1是典型的电机驱动器的结构图，主要分为3大功能模块：功率转换部分、电子控制系统、机械电机部分， 电机的的输入可以是单相或三相交流或直流电（例如来自电池） ，在直流输入的情况下，直流总线拓扑可能略有变化，因为不需要整流滤波部分。图2是480V交流电输入的结构图和各个阶段的波形图，输入的三相交流电由“整流器部分”中的六脉冲（六个二极管）整流器整流，并在“直流总线”部分被滤波成低纹波和稳定的直流总线电压，直流总线存储用于输入到逆变器部分的能量，应该存储足够的能量

4、使得直流总线稳定，并且在负载变化时，电压不会明显变化。 理想情况下，直流总线无纹波，与交流输入中的变化或干扰完全隔离，总线上的波纹可能由于电源（市电）供电不足，逆变器设计有问题或逆变器运行有问题，工程师经常需要监控直流总线纹波，将其与电机驱动器的其他行为相关联。 图 3 480V 交流输入结构图 逆变器会将直流转换为交流，作为电机的输入，逆变器通常为级联 H 桥结构，通常，对于三相（例如，级联 H 桥）设计，我们在控制系统中创建一个调制信号，然后将该信号相移 120和 240以产生另外两个相位的调制信号。 控制系统和逆变器的半桥中的功率半导体的栅极相连，对于半桥或全桥功率转换系统，上下桥臂独立

5、开关，并且两个桥臂以互补方式切换以创建完整输出波形。 如图 4 所示，上部桥臂的 PWM 波形如上图所示，下部桥臂的 PWM 波形显示在中心，总输出（上下减）PWM 波形和调制波形如下图所示， 图 4 PWM 输出 控制器从电机和电路的其他部分获取反馈信号， 以计算如何切换功率晶体管的开和关，以在功率半导体输出端产生适当的 PWM 信号。对于三相系统，有三个PWM 输出波形组。 请注意，半桥，全桥或级联 H 桥拓扑中的两个串联功率半导体器件不能同时导通，因此在切换之前之后内置了一些最小的“死区时间” ，以避免导致“击穿” 和设备故障。 当应用于电机绕组时，三相PWM电机驱动输出使电流在绕组中流

6、动，PWM输出电压信号的特性和质量与PWM控制方法有关。改变PWM信号的宽度会导致施加到绕组上的电压或多或少的改变，改变上下栅极驱动信号的交替周期决定了正和负PWM输出的频率，两者结合起来，驱动输出合适的信号，得到电机所需速度、扭矩、功率和效率特性。 控制系统的复杂性取决于控制要求，简单的标量V / Hz控制器使用嵌入式控制系统中的低速微处理器，成本低，并且需要很少驱动器或电机的反馈信号。 更复杂的矢量场定向控制（FOC）控制系统使用的非常高速的微处理器（ 500 MHz） ，处理许多反馈信号。 安装在电机轴上的传感器等设备可以提供位置、速度或扭矩值等信息，也可以通过其他的设备检测电机本身的电

7、流输入、温度、振动或其他物理特性。 这些设备信号中的一些作为电机控制系统的反馈输入，有些仅用于设计验证或测试。更复杂的控制系统需要知道转子/转子磁场的绝对位置，才能正常运行，因此现在电机上采用了像正交编码器接口（QEI）或旋变编码等速度，方向和位置传感器。 电机驱动的输出是“矩形”波形，不是正弦波形，含有大量的谐波成分，基于为驱动器选择的控制和调制技术，PWM驱动器的输出信号在质量上有差异。 对电机机而言，谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中会产生附加损耗，导致电机的整体能量转换效率降低。谐波电流能使电机的铜耗增加，所以电机在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加，

8、导致绝缘层老化加速，降低了设备的寿命。有必要对电机驱动输入输出中的谐 波做测量分析，已确定它的影响。图5是BLDC的三相输出电压和电流，可以发现其中含有大量的谐波和干扰。 图 5 BLDC 的输出电压和电流 电机驱动的验证测试 以上介绍了电机驱动器的结构、功能和运行原理，对于电机驱动器的验证测试，也集中在电机驱动器这三大部分。 在本手册中介绍这些测试是基于 TeledyneLecroy 的 MDA800 电机驱动分析仪，MDA800 电机驱动分析仪是 TeledyneLecroy 推出的专门针对电机驱动器测试一 款新型仪器，它具有如下特点： 具有 8 个模拟通道+16 个数字通道 10GS/s

9、 高采样率，存储深度高达：250M/Ch 12bit ADC，高达 1GHz 带宽 电机输入输出信号电压电流及功率分析 电压电流功率谐波分析 转速、转矩和位置等机械参数测量 电机驱动器动态特性分析 完整的控制系统调试分析能力 功率及效率的测量 现在讨论电机驱动中遇到的功率计算问题，功率是能量转移到电路的速率，功耗单位为瓦特（W） ，等于一焦耳/秒。 纯正弦交流信号功率计算 我们非常熟悉纯正弦（AC）电压和电流信号功率计算方法，电压和电流有固定的相位角 ，可以很容易计算出各种功率参数，有功功率、视在功率和无功功率构成一个直角三角形，S2= P2+ Q2如下图所示 视在功率（S）= Vrms *

10、I rms （VA） 有功功率（P）= S* Cos() (W) 无功功率 (Q) = (S2-P2) (VAr) 功率因数 () = Cos() 上述公式仅适用于不可能存在的纯粹的单频正弦信号，当然，如果波形失真在正常的电力标准（5）内，也可以近似为纯粹的正弦波，可以使用上面的公式。 含有谐波干扰的信号的功率计算 更常见的是，负载是非线性的，电压和电流波形是不同相的，而且是失真的。对于三相的驱动器来说，PWM 输出信号中含有大量的谐波成分，如图 6 的 PMSM三相输出信号，失真波形由多个不同频率的傅里叶级数组成，每个特定谐波都有唯一的相位角。不同次谐波电压和电流波形之间的相位关系不是常数，

11、因此，测量单频电压和电流正弦波对之间的相位角的简单计算技术不再适用。 因此，我们采用基于数字采样技术的不同方法来计算功率。鉴于具有高带宽的高分辨率模数转换器（例如数字存储示波器和功率分析仪）的普遍性，这种技术应用非常广泛。 波形数字采样后，数学计算就很容易。无论波形是纯正弦波，失真的正弦波，脉冲宽度调制波形还是其他的波形，这种技术都是适用的，该技术通过以下步骤来 计算功率： 图 6 PMSM 三相输出电压电流信号 第一步： 数字采样 数字采样系统应该对波形 10 倍（或更多）过采样以捕获足够的细节，以便能够从数字样本重新创建模拟波形。所需的采样率取决于信号所含的谐波成分，理想的纯正弦波比复合

12、PWM 波形需要的采样率低。 第二步： 确定计算周期 对于采集到的数字采样信号，我们需要确定功率计算周期，以此对采样点分组计 算，一般采用的方法是，选择一个信号作为同步信号，以这个信号 50%处作为阈值，软件算法确定了波形幅值的 50（对于线电压或线电流信号，50振幅值等于大约 0 V） 。然后，该算法确定每个独立周期的 50（或零）交叉点，以及采集数据中的每个完整周期的开始和结束时间， 从而识别每个循环周期开始和结束的确切位置。软件算法通常使用以下测量技术来精确确定 50（零）交叉点的位置： 使用低通滤波器，过滤掉高频噪声 50交叉点的局部插值/过采样 自定义磁滞范围，消除或最小化 50（零

13、）交叉点的干扰或非单调性的影响 对于纯粹的单频正弦波，相对非常简单，默认设置就可以确定正确的周期。对于更复杂的、 失真的 PWM 波形， 可能需要进行高级设置， 以避免检测到错误周期。由于功率计算精度依赖于这一点，因此应该在视觉上检查 50%交叉点检测的精度（在测量仪器上） 。 图 7 描绘了在短暂采集中检测到两个完整循环周期： 图 7 对于带有大量干扰的信号，采用滤波之后，还是无法确定正确的周期，如下面的信号，可以采用设置磁滞范围（100mdiv 磁滞范围） ，消除非单调性的影响，以获得正确的周期。 MDA800 滤波和磁滞范围设置 第三步：为采样点分组 确定好循环周期的位置后，可以很容易地

14、为每个周期确定采样点集（图 8） 。在该图中，存在 N 个周期，N = 2，对于给定的循环周期索引 i，数字采样波形在循环周期索引 i 中表示为一组采样点 j，其中 Mi 采样点从 mi 开始并且继续增加到mi + Mi -1。 例如，周期 1 是循环周期索引 i = 1，循环周期 1 中有一组采样点J, 从点 7 开始，以点 24 结束。 图 8 采样点分组 第 4 步， 计算电压，电流，功率 一旦确定每个周期的采样点集，我们使用下表中的公式，计算所有循环周期的电 压、电流和功率、功率因数、效率。 每周期计算值 平均值 VRMS ? ?1? ? ?1? IRMS ? ?1? ? ?1? 有功

15、功率 (P, Watts) ?1? ? ? ?1? 视在功率 (S, in VA) ? ? ? ? ?1? 无功功率 (Q, in VAr) ? ? ? ? sign of Qi is positive if the fundamental voltage vector leads the fundamental current vector ? ? 1? 功率因数 () ? ? ? 相位角() ? ? ? sign of i is positive if the fundamental vol? ? 计算公式 三相功率的计算 上面是单相功率的计算，下面我们来看一下电机应用中三相系统的功率计算

16、，对于中点参考点可测的连接方式，可以利用上面测量单相功率的方法，测量出每一相的功率，然后求三相的功率之和。如下图所示。 但是很多的时候，中间参考点是无法访问的，需要测量线电压，或者测量线电压更加合适，在三角形连接中，没有中间参考点，无法测量相电压，我们考虑用其他的方法来测量三相总功率，这就是目前常用的两瓦特法。两瓦特法只需要两个电压和两个电流，就可以计算出三相总功率，需要更少的信号，节省了测试仪器上的其他输入通道，做其他信号的采集。 三相系统的连接方式，一般有下面两种： Y 型连接和三角形连接，Y 型连接有时会有一条中线，通常是条地线，三角形没有中线存在 三相系统的连接方式 下面是三瓦特法和两

17、瓦特法的特点 3 相 4 线-3 电压 3 电流（3 瓦特法） 相电压对应于相电流 测量每相的功率 每个功率都有实际的物理意义，就是本相绕组吸收的功率 计算很简单 对于负载不平衡的系统，是非常理想的方法，因为每相功率可以通过每个绕组中的电压和电流测量来计算 PTotal = PA + PB + PC STotal = SA + SB + SC QTotal = QA + QB + QC 中点可测的三相 4 线制 Y 型连接 3 相 3 线-2 电压 2 电流（2 瓦特法） 在中点不可测的情况下（如三角形连接或者 Y 型连接中点不可探测） ，或者想要节省输入通道用于其他测试的情况下，最佳的方案就

18、是两瓦特法。两瓦特法使用相对同样参考（例如线路 C）的两路线电压（线路 A 和 B）和两路线电流。可以数学证明，两瓦特法可以返回与三瓦特法相同三相总功率值（有功功率、视在功 率和无功功率） 。 然而， 由于电压和电流信号之间的相位关系不能相对应， 因此，计算出的单个功率值没有实际的物理意义。 测量两个线电压 这两个电压都是参考第三相 测量两个的线电流 这两个电流都是流向第三相 两瓦特法 力科 MDA800 电机驱动分析仪，支持完整的电压、电流、功率的测量分析， 和传统的功率分析仪相比，它有如下特点： 1 更加精确的确定测量周期，通过滤波、设置磁滞范围等方法，从采集的波形中确定测量周期，并且将它

19、显示出来，更加明显的去判断周期是否正确 200MHz 低通滤波和 200mv 磁滞设置应用在动态变化的 正弦调制的 PMSM 信号中确定测量周期 2 支持 3 瓦特法和 2 瓦特法测量功率，并且以图形的形式指示连接 3 相 3 线，2 瓦特法 3. 以表格的形式，显示电压电流，功率等 测量数值表 4. 功率动态分析 MDA800 电机驱动分析仪具有高达 10GS/s 的采样率和 250M 的存储深度， 可以将电机负载动态变化的过程采集下来， 通过每周期合成曲线， 可以直观查看电压、电流或者功率随时间变化的趋势，并且和其他的事件关联分析。 AC 电机从启动到满负载的过程 5. 测量特定区域的功率

20、，MDA800 的 Zoom+Gate 功能，就像一个测量门限一样，可以只测量感兴趣区域的电压电流及功率。 6. 谐波过滤， PWM 信号包含了大量的高频谐波成分， 但是电机本身可以看成是一个 LC 滤波器，可以抑制这些高频分量，电机的有功功率主要在基频处，谐波分量是无功功率的主要来源。有些客户想知道滤除谐波后的基波的功率，效率的变化曲线 功率因数的变化曲线 利用 Zoom+Gate测量感兴趣区域的参数 MDA800 电机驱动分析提供这样的功能， 可以滤除谐波， 只查看基波处的功率， 全频谱的功率 基波的功率 可以看到，通过滤除谐波，功率因数从 31%上升到 96%。 电机输出的测量 对于转速

21、/转矩/位置的测量，需要在转轴上安装各种各样的传感器，将转速/转矩/位置信息转换为相应的电信号，对这些电信号进行数字采样，然后将数字信号转换为转速值和转矩值。 测试转速/转矩的基本过程 转速（通常用符号表示） ，以弧度/秒（rad / s）或每分钟转数（RPM）表示。 转速传感器可以输出模拟、数字或编码的串行数据信号，根据传感器类型不同，模拟和数字转速传感器分为只能收集转速信息的、收集转速和旋转方向信息的，或收集转速、旋转方向和转子轴绝对位置信息的。 转矩（通常用符号 tau 或表示） ，表示使机械元件转动的力矩。转矩传感器几乎都是模拟设备，具有对应指定转矩值的模拟输出信号。输出信号的更新速率

22、非常低，因为转矩传感器会进行在线处理，将检测值转换为转矩读数（ “静态”转矩传感器） 。因此，在快速变化的条件下，很难监测转矩和报告转矩值。因此，在静态（稳态）测试期间，大多数转矩传感器用于实验室验证，不包括在最终的电 机或驱动产品中。更高级的控制系统根据反馈需要从其他已知数据中获得转矩。转矩以各种不同的单位表示，例如牛顿米（Nm）或磅 - 英尺（lbft） 。 绝对转子轴位置表示转子磁通位置，在实现更复杂的电机控制算法（例如矢量FOC） 时需要这些信息。 速度、 位置和方向传感器在传感器输出端提供瞬时信息，非常适合动态测量。 电机输出端的机械功率计算为转矩 x 转速，因此，如果我们利用传感器

23、计算出转速和转矩，我们就可以测量电机输出功率，以千瓦（kW）或马力（hp）表示。 力科 MDA800 电机驱动分析仪支持多种的速度位置传感器，如下所示 转矩传感器 下面是一个 MDA800 利用旋转编码器测量速度和角度的例子，旋变编码以其高可靠性、抗干扰强，便于维护，在一些电机中得到广泛使用。 常见的旋转编码器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变 压器的定子和转子各有一对磁极，四极绕组则有两对磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转编码器，用于高精度绝对式检测系统。 旋转编码器(resover)包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转，定子

24、绕组位置固定且两个定子互为 90 度角(如图 1 所示)。这样，绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。 单极旋转编码器结构 对于具有一个极对的基本旋转编码器，一个正弦/余弦对等于一转，正弦和余弦信号的幅度比的反正切决定了角度。下图是 MDA800 采集旋变编码器信号（正弦、余弦和励磁信号）计算转速和角度，并且显示速度和角度的变化趋势。 MDA800 利用旋变编码器计算转速和角度 下图是利用 QEI 正交编码器计算速度和角度的例子。 谐波分析 对谐波进行分析方法是对信号进行傅里叶分解 10)sincos()(nnntnbtnaatu 谐波的定量分析一般总谐波失真（THD）表示，I h 表示 i

25、 次谐波的有效值，I1 表示基波有效值 (%)1001IITHDhi MDA800 电机驱动分析仪，可以分析电压、电流、功率的谐波，并且以不同的形式来观察谐波 1. 以表格形式显示电压、电流和功率的 THD,并且显示 THD 随时间变化的每周期曲线。 2. 显示电压、电流和功率的谐波值，并且是以频谱图的形式显示 效率分析： 3. 设置通用的或者自定义的谐波标准，来判断谐波是否符合要求 设置谐波标准 判定结果 4. 谐波滤波，可以非常灵活的设置谐波范围，来对谐波进行滤波。 控制系统分析 电机驱动的控制系统，根据应用的要求，调整输出信号的电压幅度和频率，来调整电机的转速和转矩，同时实时的处理从电机

26、反馈回来的信号。它本身就是一个典型的嵌入式系统，对它的分析，典型的工具就是示波器，用示波器来调试各种总线,力科的 MDA800 电机驱动分析本身就是一台 8 通道的高精度示波器，具有示波器的一切调试分析功能，可以对信号进行完整的调试分析。 触发解码 支持非常多的串行总线标准 可以和 MSO 数字通道或者 EXT 输入配合使用 每一个串行触发都有一些独特的特性 I2C 支持帧长度和 EEPROM 数据触发 UART 和 SPI 支持自定义协议的触发 UART 支持 9-bit 地址 或 “唤醒” 模式触发 CAN, CAN FD, LIN, FlexRay 和 MIL-STD-1553 支持 I

27、D/Address 触发 CAN 和 CAN FD 支持符号触发 眼图测量，眼高、眼宽和模板测量 利用MDA800动态调试分析电机驱动器 MDA800 电机驱动分析仪，有高采样率，高存储深度，加上强大的电机驱动分析软件，可以对电机驱动器进行完整的动态分析。 测量分析 测量分析 时序测量 串行消息帧到模拟信号 模拟信号到串行消息帧 串行消息帧到串行消息帧 消息帧转化为数值(Serial DAC)测量和图形化 总线状态测量 自动收集统计信息，并显示直方图 快速将关键的时序关系和其他事件联系起来 直流无刷电机的分析 下面的图示对直流无刷电机的分析， 利用 MDA800 的 8 个模拟通道和 16 个

28、数字通道，可以将电机的输入、输出和转速转矩信号，同时采集下来，MDA 会计算出电压、电流和功率，以及转速和转矩，同时描绘出功率、转速转矩的曲线，我们从中可以直观的看到他们之间的相互关系。 无刷直流电机的分析 效率的分析 按照定义，效率是输出功率比输入功率，其中输入和输出都是平均功率，公式： 直流输入信号 驱动输出信号 C7/C8 模拟转矩速度信号 霍尔传感器速度信号 功率、转速和转矩曲线 力科 MDA800 对效率的定义如下： 静态效率公式 动态效率公式 动态效率，计算每一个计算周期的效率，静态效率是指求采集的时间内，所有周期的效率的平均值。下面我们以两个实例说明这两种分析方法结果 静态效率分

29、析 下图是 480V 电机驱动器输入输出功率和效率的计算，在这里，为了分析方便， 没有显示输入输出波形，图中的三条曲线分别是：粉红色的是输入功率的曲线， 蓝色的是输出功率的曲线，黄色的是效率的曲线。从下面的数值表，我们可以看到，输入功率和输出功率本身变化较小，比较平缓，效率值是：76.6% 这个值是怎么计算出来的呢？ 就是利用上面提到的动态效率公式， 如下图所示， 利用输入功率和输出功率的每周期曲线，在每一个周期中，只要两者之中，有一个变化，就生成一个效率值，图中，29 个输入功率值，22 个输出功率值，生成了 50 个效率值，我们看到的 76.6%就是 50 个效率值的平均值。 对比 MDA

30、800 的效率计算方法和传统的计算方法，76.6% VS 76.4%，差异很小， 这是因为，在静态分析中，功率变化很小。 动态效率分析 下面是电机驱动从空载开机到满载的过程，时间长度 10s，下图三张图，分别显示了整体的平均效率：44.9%，刚起动时的效率：15.3%，满载时的效率：79.6%. 效率变化范围很大。 平均效率：44.9% 刚启动时的效率：15.3% 满载时的效率：79.6% 下面的图展示输入输出功率和效率的曲线，以及力科 MDA800 计算的平均效率和传统方法计算出来的效率，44.73% VS 70.95%，44.73%更切近真实的状况， 但是它也只能提供一个平均的数值信息， 动态分析曲线才是整个过程的完整体现， 可以提供更多的信息。 总结 MDA800 电机驱动分析是一款特别的仪器， 他结合了功率分析仪的功率分析功能和示波器的调试功能， 能够对电机驱动器的输入输出以及控制系统做深入完整的分析，这是现在市面上的任何单一仪器无法做到的。