近年來，無刷電機在醫(yī)療，工業(yè)控制，消費電子和汽車電子等高精度控制行業(yè)廣泛應用，無刷電機性能的好壞很大程度上取決于電機驅動器，研發(fā)階段，工程師如何借助示波器快速、便捷、真實的對驅動器信號進行分析?本文主要介紹ZDS4054Plus數(shù)椐挖掘型示波器對電機驅動器的典型測試及案例分析。
一、直流無刷電機介紹
隨著電力電子的發(fā)展和新型永磁材料的出現(xiàn)，無刷直流電機得到了迅速發(fā)展，無刷直流電機通過電子器件實現(xiàn)了電機的換相，取代了傳統(tǒng)的機械電刷和換相器。其由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉速;提供保護和顯示等。無刷電機憑借噪聲低、壽命長、轉速高、體積小、動態(tài)性能好、輸出力矩大、設計簡便等特點，在醫(yī)療、工業(yè)控制、消費電子、電動工具、電動車等領域廣泛應用。
有上圖可知，MCU通過配置寄存器輸出六路PWM只是控制信號，其最高電壓也只有5V，不能直接驅動電機，而是通過控制功率管的開關來使電機運行，驅動電路一般是由多個MOSFET組成的驅動橋和電機驅動橋功率管構成。無刷電機的換向是換相是依靠轉子位置的檢測進行的，其中有感驅動方式是利用霍爾傳感器檢測轉子位置的，無感驅動方式是通過檢測和計算無刷電機轉動過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉子位置，進而進行換相的。
換向原理
無刷電機內(nèi)部安裝有霍爾傳感器，其可以根據(jù)轉子不同位置時的不同磁場方向分布情況，而給出1或0的輸出信號，三個傳感器均勻安裝，在360度的電角度上發(fā)生6次翻轉電平，每次相差60度電角度，根據(jù)三個傳感器的信號編碼測出轉子的位置，這就是常用的有感驅動方式。另外，無感驅動方式是通過檢測和計算無刷電機轉動過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉子位置，進而進行換相的。
驅動電路工作原理
驅動電路簡化圖
有上圖可知，MCU通過配置寄存器輸出六路PWM只是控制信號，其最高電壓也只有5V，不能直接驅動電機，而是通過控制功率管的開關來使電機運行，驅動電路一般是由多個MOSFET組成的驅動橋和電機驅動橋功率管構成。無刷電機的換向是換相是依靠轉子位置的檢測進行的，其中有感驅動方式是利用霍爾傳感器檢測轉子位置的，無感驅動方式是通過檢測和計算無刷電機轉動過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉子位置，進而進行換相的。
換向原理
無刷電機內(nèi)部安裝有霍爾傳感器，其可以根據(jù)轉子不同位置時的不同磁場方向分布情況，而給出1或0的輸出信號，三個傳感器均勻安裝，在360度的電角度上發(fā)生6次翻轉電平，每次相差60度電角度，根據(jù)三個傳感器的信號編碼測出轉子的位置，這就是常用的有感驅動方式。另外，無感驅動方式是通過檢測和計算無刷電機轉動過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉子位置，進而進行換相的。
驅動電路工作原理
驅動電路簡化圖
圖中Q1到Q6為功率場效應管，當需要AB相導通時，只需要打開Q1, Q4管，而使其他管保持截止。此時，電流的流經(jīng)途徑為：正極→Q1→線圈A→繞組B→Q4→負極。MCU給Q1的柵極是PWM信號，而給Q4的柵極是常開信號，這樣你就可以通過控制Q1輸入端的PWM信號占空比來控制驅動電機的有效電壓。其他五步換向導通也是這樣。實測各相波形如下：
各相電壓波形實測效果
三、ZDS4054Plus的實測應用與分析
針對上述無刷電機驅動器的PWM信號分析，ZDS4054Plus示波器又有哪些新的測試體驗呢?
512Mpts大數(shù)椐存儲
針對案例中無刷電機的驅動電壓，工程師在觀察PWM信號時，若信號中出現(xiàn)異常，則難以通過觸發(fā)方式觸發(fā)，需要在大時基下，通過縮放模式分析包絡內(nèi)的信號，(在縮放窗口觀察波形細節(jié))，PWM信號頻率幾十K以上，需要保證較高的采樣率，同時PWM信號還伴隨有電流、編碼器等載波信號，需要多個通道分別觀察，從波形時間、采樣率、多通道三方面看，都需要大存儲。圖1為無刷電機PWM驅動信號，在存儲深度設為350M時，捕獲7S的波形，采樣率依然高達50M Sa/s，保證了波形不失真。由公式：存儲深度=波形時間*采樣率可知，ZDS4000系列示波器標配512Mpts存儲深度，保證在捕獲長時間波形同時保持高采樣率。
雙ZOOM模式+智能標注
如上圖，在捕獲較長時間的波形后，如何對PWM驅動信號或異常信號進行分析呢?另外，在工業(yè)伺服應用方面，在不同的工況下，在切換不同負載的時候，對應不同時間的驅動器波形變化或出異常信號，整個負載切換到穩(wěn)定的過程時間較長，也需要在大存儲深度下，觀看波形細節(jié)，針對上述情況，ZDS4000系列示波器在保證大存儲深度的情況下，支持雙ZOOM縮放模式，可以為兩個縮放窗口分別設置系數(shù)，配合智能標注功能，對任意處感興趣的信號進行標注。圖中為對PWM驅動信號，主時基內(nèi)的波形在兩個ZOOM窗口分別放大，ZOOM1為PWM周期信號，ZOOM2為PWM某一尖峰的振蕩波形，在大存儲深度的保證下，采樣率50M Sa/s，保證了波形細節(jié)的真實性。同時，配合智能標注功能，如在主時基上做一標注，在ZOOM1、ZOOM2上能夠快速找到標注點，可看到ZOOM1中標注點——PWM的第3個尖峰，在ZOOM2中可查看到尖峰的振蕩情況及幅值。
四、總結
ZDS4000系列數(shù)椐挖掘型示波器，憑借512M深存儲、雙ZOOM模式、模板觸發(fā)、FIR硬件濾波和智能標定等功能，能夠快速、真實定位分析無刷電機驅動器的異常波形，為無刷電機行業(yè)的波形調(diào)試提供完美解決方案!
