大多數(shù)現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來(lái)控制電機(jī)頻率，從而控制電機(jī)速度。在大多數(shù)情況下，此類(lèi)變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 通過(guò)輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此類(lèi)系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率，因?yàn)?/span>三相是電機(jī)的最佳配置。

自電氣工程誕生以來(lái)，三相交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM) 一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。它們可靠、高效、成本低且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。但電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器有多種不同類(lèi)型。交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM) 的效率低于無(wú)刷直流電機(jī) (BLDC) 和永磁同步電機(jī) (PMSM)。與交流感應(yīng)電機(jī)相比，同步無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)效率更高，重量也更輕，但需要更先進(jìn)的控制算法。

盡管每種類(lèi)型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有其特性，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來(lái)改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。

圖1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入來(lái)控制電機(jī)速度和扭矩

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量的挑戰(zhàn)

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此，要對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)量具有挑戰(zhàn)性。要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波形，通過(guò)人工確定濾波器和觸發(fā)器的正確組合非常棘手，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)一致測(cè)量卻是必要的。

除了測(cè)量驅(qū)動(dòng)器的輸出之外，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的輸入級(jí)性能（例如諧波、功率和功率因數(shù)）進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估也很重要。雖然可以將原始波形導(dǎo)出到電子表格或其他分析軟件中，但該過(guò)程非常耗時(shí)，并且設(shè)計(jì)算法時(shí)要特別注意。

進(jìn)行這些測(cè)量需要與被測(cè)設(shè)備建立許多連接。錯(cuò)誤的探頭連接和連接點(diǎn)完整性差是導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量誤差的常見(jiàn)原因。

機(jī)械測(cè)量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進(jìn)行。然而，如果不進(jìn)行自定義處理和轉(zhuǎn)換，要想獲取以工程單位表示的速度、加速度或扭矩的測(cè)量值可能非常困難，甚至是不可能。

由于這些原因，要想使用示波器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行良好的測(cè)量，需要仔細(xì)的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強(qiáng)大的測(cè)量算法。

PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理

多種類(lèi)型的電機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 形式驅(qū)動(dòng)，包括有刷直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。PWM使驅(qū)動(dòng)器能夠改變輸送到電機(jī)的頻率和電壓。

盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅(qū)動(dòng)器的工作原理，但卻是功率半導(dǎo)體、控制電子組件和微處理器的改進(jìn)和成本的降低才推動(dòng)了此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)了這一趨勢(shì)。通過(guò)矢量控制，設(shè)計(jì)者能夠在交流電機(jī)的高可靠性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的高效率和精確可控性。無(wú)刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)正在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域取代有刷直流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應(yīng)用，還包括電動(dòng)工具、家用電器和電動(dòng)汽車(chē)。

圖2顯示了三相變頻驅(qū)動(dòng)器基本元件的框圖。

圖2. 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能模塊圖

PWM驅(qū)動(dòng)器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯示了一臺(tái)由三相電源供電的變頻驅(qū)動(dòng)器，三相電源常用于工業(yè)設(shè)備。三相電源經(jīng)過(guò)整流和濾波產(chǎn)生直流母線，為驅(qū)動(dòng)器的逆變器部分供電。逆變器由三對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）及其相關(guān)二極管組成。每對(duì)開(kāi)關(guān)分別為電機(jī)的一相提供電源輸出。這種基本架構(gòu)可以適用于多種類(lèi)型的電機(jī)，但控制電子組件在反饋和復(fù)雜性方面差異很大。這里簡(jiǎn)單介紹幾種常見(jiàn)的用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM形式。

六步換相 / 梯形波控制驅(qū)動(dòng)器

這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器與無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)合使用。無(wú)刷直流電機(jī)效率高且體積小。它具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但沒(méi)有電刷，不易磨損。無(wú)刷直流電機(jī)可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。

圖3. 霍爾傳感器向簡(jiǎn)單的六步控制器提供反饋。驅(qū)動(dòng)器U、V和W輸出信號(hào)應(yīng)用于電機(jī)定子

標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器

簡(jiǎn)單的變頻驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM波形的基頻來(lái)控制電機(jī)速度。為了保持全扭矩，驅(qū)動(dòng)器中的控制系統(tǒng)會(huì)保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器被稱(chēng)為標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器。

控制電子組件產(chǎn)生三個(gè)相位差為120°的低頻正弦波，用于調(diào)節(jié)每對(duì)開(kāi)關(guān)的脈沖寬度。

圖4. A相和B相之間的脈沖寬度調(diào)制波形的平均線電壓是正弦波

電機(jī)繞組的平均電壓近似正弦波。電機(jī)繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。

圖5. 隨時(shí)間變化的三相電壓信號(hào)

從逆變器輸出電壓的角度來(lái)看，電機(jī)在很大程度上類(lèi)似于一個(gè)電感器。由于電感器對(duì)較高頻率具有較高阻抗，因此電機(jī)所吸收的大部分電流來(lái)自于PWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機(jī)所吸收的電流形狀近似正弦波。

圖 6. 由于電機(jī)是感性負(fù)載，且能阻抗快速電流變化，因此電機(jī)所吸收的電流近似正弦波

通過(guò)控制調(diào)制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅(qū)動(dòng)器可以提供三相電源，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到所要求的速度。

矢量控制驅(qū)動(dòng)器 / 磁場(chǎng)定向控制

交流感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器更先進(jìn)，采用矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)。此類(lèi)驅(qū)動(dòng)器比標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器更靈活、更高效，但也更復(fù)雜。

矢量控制驅(qū)動(dòng)器與標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是矢量控制驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行更平穩(wěn)，加速更快，扭矩控制也更好。此類(lèi)控制系統(tǒng)通常使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC)，并且比標(biāo)量控制驅(qū)動(dòng)器復(fù)雜得多。

矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機(jī)的扭矩和磁通量有關(guān)。

圖7. 矢量控制 / 磁場(chǎng)定向控制使用復(fù)雜的PWM波形

控制系統(tǒng)必須測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置以使系統(tǒng)同步。這通常通過(guò)使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)（還會(huì)使用無(wú)傳感器系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)使用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置）。控制器使用Clarke變換和Park變換來(lái)計(jì)算矢量D和矢量Q的幅值，然后使用這些值作為控制回路的設(shè)定點(diǎn)。

圖8. 矢量控制系統(tǒng)框圖

變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的連接

示波器探頭的選擇

對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行功率測(cè)量需要使用電壓和電流探頭。選擇示波器電壓探頭進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量時(shí)，一定要考慮以下幾點(diǎn)：

• 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量涉及相對(duì)較高的電壓。例如，480V 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認(rèn)探頭的額定電壓以及用于連接探頭的配件的額定電壓。

• 共模電壓也可能相對(duì)較高。也就是說(shuō)，測(cè)量結(jié)果通常相對(duì)于地面是“浮動(dòng)"的，因此不能使用接地參考的探頭。務(wù)必確保信號(hào)浮動(dòng)不超過(guò)探頭的共模電壓額定值。

• 大多數(shù)相關(guān)頻率低于200MHz，因此具有此帶寬的探頭足以滿(mǎn)足大多數(shù)日常測(cè)量需求。

• 探頭應(yīng)能用于廣泛的測(cè)量任務(wù)。

出于這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為功率電子逆變器子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器輸入/輸出和控制系統(tǒng)測(cè)量的通用電壓探頭。

圖9. 泰克差分探頭（例如THDP0200）和泰克AC/DC電流探頭（例如TCP0030A）為許多變頻驅(qū)動(dòng)器測(cè)量場(chǎng)景提供了良好的覆蓋范圍。

注：接地參考無(wú)源探頭不應(yīng)用于測(cè)量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導(dǎo)致大量電流流過(guò)探頭和示波器接地。這很危險(xiǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)設(shè)備或示波器受到?jīng)_擊或損壞。

圖10.  IsoVu光學(xué)隔離電壓探頭提供很高的共模抑制比，能夠承受最大2500V的差分電壓，并且具有高達(dá)1GHz的帶寬。

以下為一些建議用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的探頭：

示波器探頭設(shè)置

在進(jìn)行任何功率測(cè)量之前，必須完成一些重要步驟。電流探頭必須消磁，并且所有探頭都應(yīng)校正，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

在進(jìn)行測(cè)量之前對(duì)電流探頭執(zhí)行消磁程序，消除探頭磁芯中的任何剩磁，這一步非常重要。剩磁會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。消磁程序通常是通過(guò)移除電流探頭鉗口的所有導(dǎo)體，然后按下消磁按鈕啟動(dòng)的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會(huì)在您使用前自動(dòng)提示您執(zhí)行消磁程序。

校正過(guò)程可以校正任意兩個(gè)不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲。這一步很重要，因?yàn)橄辔魂P(guān)系對(duì)于變頻驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)上的許多測(cè)量至關(guān)重要。基本步驟是向通道提供同步信號(hào)，并調(diào)整每個(gè)通道的延遲，使各通道的信號(hào)對(duì)齊。泰克公司提供功率測(cè)量校正夾具 (P/N 067-1686-xx) 來(lái)幫助解決此問(wèn)題。

連接電流探頭時(shí)，務(wù)必注意探頭上的箭頭標(biāo)記。如果電流探頭連接在負(fù)載的線路側(cè)，箭頭應(yīng)指向負(fù)載。如果電流探頭連接在負(fù)載的返回側(cè)，則箭頭應(yīng)指向遠(yuǎn)離負(fù)載的方向。