脉宽调制(PWM) 马达驱动器电源的测试分析(上)

2015-06-17 10:45:43   来源:ednchina   

关键字: 脉宽调制  PWM  马达驱动器

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。
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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。
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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。
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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:
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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:
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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。
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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。
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0617/article_12016.html
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