脉宽调制(PWM) 马达驱动器电源的测试分析

2015-04-20 10:22:11   来源:eechina   

关键字: 脉宽调制  PWM  马达驱动器  测试分析

1.概述

自电机工程诞生以来,三相交流马达一直是工业领域的主力。它们可靠、高效、费效比高,需要少量维修或根本不需要维修。此外,交流马达(如感应马达和磁阻马达)无需与转子的电气连接,因此很容易实现阻燃,用于危险环境(如矿山)。


为了提供适当的交流马达速度控制,必须为马达提供三相电源,其电压和频率可以变化。这种电源将在定子中形成一个变速旋转磁场,使得转子按照所需的速度旋转,且滑动很小,如图1 所示。这个交流马达驱动器可以高效提供从零速到全速的全转矩,如果需要的话,还可以超速,而且通过改变相位旋转,可以很容易使马达双向运转。具有这些特点的驱动器称作脉宽调制马达驱动器。

1.jpg

 

交流马达驱动系统示意图


脉宽调制驱动器可以生成复杂波形,如在到马达的输出上,以及到驱动器的电源上。本博文将分两部分,探讨马达驱动器的电气测量话题。



2. 对脉宽调制马达驱动器的测量

表1 给出了脉宽调制马达驱动器的典型测量。

2.jpg 

表1. 常见的脉宽调制马达驱动器测量


3. 马达输出测量

图1 说明,通过在马达输出轴安装转速和转矩传感器,可以对马达输出进行测量。

3.jpg

 

图1. 马达输出测量


3.1 转矩和转速传感器

转矩和转速传感器生成的电信号与转矩和转速成正比。通过测量这些信号,可以确定马达的转速和转矩,从这些测量结果中可以计算马达输出功率。


3.2 转矩

马达转矩是在其输出轴上形成的旋转力,它是一个扭力,其单位是牛顿米(Nm) 或英尺磅(1 英尺磅 =1.3558 Nm)。对于小型马达而言,其转矩额定值低于1 Nm;对于大型马达而言,其转矩额定值达到几千Nm。


通过旋转应变计以及利用固定接近、磁致伸缩和磁弹性传感器,可以测量转矩。这些传感器都是温度敏感型的。旋转传感器必须安装在转轴上,由于空间受限,这并非总能行得通。


为测量转矩,应变计往往直接安装在转轴上。由于转轴旋转,转矩传感器必须通过滑环、无线通信或电感耦合与外边世界耦合。


3.3 转速

马达转速通常以每分钟转速(RPM) 来描述,即它在1分钟内沿固定轴旋转的完整圈数。


转速传感器输出可能是一个与转速成正比的模拟电压。更普遍的是,转速传感器输出是一个由马达转轴上圆盘生成的TTL 脉冲。通过测量TTL 信号频率,并应用比例因数,可以确定马达转速。


例如,如果转盘每转一圈生成n 个脉冲,那么每分钟转速(RPM) 可以计算为:

4.jpg

 


3.4 实现转矩和转速测量与电气测量相结合

为了确定马达和驱动器组合的效率,必须考虑系统的电气输入以及在马达输出端生成的机械功率。马达输出功率是转矩和转速的乘积:

马达输出功率(W)= 转矩(Nm)× 转速( 弧度/ 秒)

= 转矩(Nm)× 转速(RPM)×

注意:1ft-lb=1.3558Nm( 牛顿米)

1HP=745.7W

通过以下公式,可以计算系统效率:

5.jpg 

为了进行这些测量,PA4000 包括传感器输入端,用于连接转矩和转速传感器。通过测量驱动器输入端消耗的电力、以及马达输出端的转矩和转速,使用一台仪器就可以测量出系统效率。


4. 驱动器输出测量

脉宽调制驱动器的输出波形非常复杂,由一系列高频分量( 因载波) 和低频分量( 因基波) 组合而成。


对大多数功率分析仪来说,这带来的问题是:如果在高频测量,那么波形中的低频信息将丢失;如果滤除脉宽调制波形在低频测量,那么高频数据将丢失。这个难题的出现是因为在低频对波形进行调制。因此,高频测量( 如总电压有效值、总功率等) 必须在高频处进行,但必须超出输出波形低频分量的整数倍。


泰克PA4000 功率分析仪利用脉宽调制输出测量的特殊工作模式克服了这个难题。它对数据进行高速采样,并实时计算总体数量,包括所有谐波和载波分量。与此同时,对采样数据进行数字化滤波,提供低频测量,如输出频率的基波分量和测量。

6.jpg 

图2. 高精度PA4000 测量技术


除了从同一测量中获得低频和高频结构外,该技术允许高频测量与低频信号同步,这是提供精确和稳定的高频测量结果的唯一方法。

7.jpg 

图3. 测得的一个马达绕组两端的净电压


根据测量的输出频率范围,滤波器的选择方案有3 种,参见表2。

8.jpg 

表2. 脉宽调制马达驱动器系统内不同频率范围应用的滤波器


滤波器的选择并不影响较高频率分量的测量,因为这些测量是通过未经过滤的数据进行的。不过,为了优化低频测量结果,您应当为应用选择正确的滤波器。


5.使用PA4000 示波器测量驱动器输出

该仪器通过三相三线配置连接至输出。( 又称作两表法。关于两表法的更多信息,请参见应用指南:三相测量原理。) 对于输出电流高达30A 的脉宽调制驱动器,PA4000 可以通过其内部电流分流器,直接与驱动器输出相连,如图4 所示。

[1] [2] [3]
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0420/article_11455.html
[发表评论]
[加入收藏]
[打印本页]
[关闭窗口]
[返回顶部]
[RSS订阅]
小广播
每日新闻
最热点击
本周热门资源推荐
EEWORLD独家
论坛精华
精选博文