大多數(shù)現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)使用某種調(diào)制形式來控制電機頻率,，從而控制電機速度,。在大多數(shù)情況下，此類變頻驅(qū)動器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調(diào)制 (PWM)波形來實現(xiàn)這一點,。此類系統(tǒng)通常以三相形式輸出功率,，因為三相是電機的最佳配置。
自電氣工程誕生以來,，三相交流感應(yīng)電機(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,。但電機和驅(qū)動器有多種不同類型。交流感應(yīng)電機(ACIM) 的效率低于無刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM),。與交流感應(yīng)電機相比,，同步無刷直流電機和永磁同步電機效率更高，重量也更輕,，但需要更先進的控制算法,。
盡管每種類型的電機驅(qū)動系統(tǒng)有其特性，但電機驅(qū)動器都使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)來改變輸送到電機的頻率和電壓,。
圖1. 電機驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)電機輸入來控制電機速度和扭矩
電機驅(qū)動器進行測量的挑戰(zhàn)
由于電機驅(qū)動器輸出采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù),，因此，要對這種信號進行穩(wěn)定的測量具有挑戰(zhàn)性,。要想實現(xiàn)穩(wěn)定的波形,，通過人工確定濾波器和觸發(fā)器的正確組合非常棘手，但對于實現(xiàn)一致測量卻是必要的,。
除了測量驅(qū)動器的輸出之外,，對驅(qū)動器的輸入級性能（例如諧波,、功率和功率因數(shù)）進行測量和評估也很重要。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,，但該過程非常耗時,，并且設(shè)計算法時要特別注意。
進行這些測量需要與被測設(shè)備建立許多連接,。錯誤的探頭連接和連接點完整性差是導(dǎo)致電機驅(qū)動器測量誤差的常見原因,。
機械測量也很關(guān)鍵，可以使用傳感器進行,。然而,，如果不進行自定義處理和轉(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,，要想使用示波器對電機驅(qū)動系統(tǒng)進行良好的測量,，需要仔細的設(shè)置、穩(wěn)定的波形和強大的測量算法,。
PWM電機驅(qū)動器的工作原理
多種類型的電機采用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 形式驅(qū)動,，包括有刷直流電機、交流感應(yīng)電機,、無刷直流電機和永磁同步電機,。PWM使驅(qū)動器能夠改變輸送到電機的頻率和電壓。
盡管很多年前人們就已經(jīng)掌握PWM驅(qū)動器的工作原理,，但卻是功率半導(dǎo)體,、控制電子組件和微處理器的改進和成本的降低才推動了此類驅(qū)動器的廣泛使用。矢量控制技術(shù)進一步推動了這一趨勢,。通過矢量控制,，設(shè)計者能夠在交流電機的高可靠性基礎(chǔ)上，實現(xiàn)直流電機的高效率和精確可控性,。無刷直流電機和永磁同步電機正在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域取代有刷直流電機和交流感應(yīng)電機,，這些領(lǐng)域不僅包括工業(yè)應(yīng)用，還包括電動工具,、家用電器和電動汽車,。
圖2顯示了三相變頻驅(qū)動器基本元件的框圖。
圖2. 三相電機驅(qū)動器功能模塊圖
PWM驅(qū)動器可以由直流電,、單相交流電或三相交流電供電,。圖2顯示了一臺由三相電源供電的變頻驅(qū)動器，三相電源常用于工業(yè)設(shè)備。三相電源經(jīng)過整流和濾波產(chǎn)生直流母線,，為驅(qū)動器的逆變器部分供電,。逆變器由三對半導(dǎo)體開關(guān)（MOSFET、GTO,、功率晶體管,、IGBT等）及其相關(guān)二極管組成。每對開關(guān)分別為電機的一相提供電源輸出,。這種基本架構(gòu)可以適用于多種類型的電機,，但控制電子組件在反饋和復(fù)雜性方面差異很大。這里簡單介紹幾種常見的用于驅(qū)動電機的PWM形式,。
六步換相 / 梯形波控制驅(qū)動器
這種類型的驅(qū)動器與無刷直流電機結(jié)合使用。無刷直流電機效率高且體積小,。它具有直流電機的優(yōu)點,，但沒有電刷，不易磨損,。無刷直流電機可以通過相對簡單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來實現(xiàn)電子換向,。下圖顯示了一組典型的PWM波形。
圖3. 霍爾傳感器向簡單的六步控制器提供反饋,。驅(qū)動器U,、V和W輸出信號應(yīng)用于電機定子
標量控制驅(qū)動器
簡單的變頻驅(qū)動器驅(qū)動交流感應(yīng)電機，通過改變驅(qū)動電機的PWM波形的基頻來控制電機速度,。為了保持全扭矩,，驅(qū)動器中的控制系統(tǒng)會保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類驅(qū)動器被稱為標量控制驅(qū)動器,。
控制電子組件產(chǎn)生三個相位差為120°的低頻正弦波,，用于調(diào)節(jié)每對開關(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
電機繞組的平均電壓近似正弦波,。電機繞組的另外兩相具有相似的平均電壓,，相差120°。
圖5. 隨時間變化的三相電壓信號
從逆變器輸出電壓的角度來看,，電機在很大程度上類似于一個電感器,。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機所吸收的大部分電流來自于PWM波形輸出中的較低頻率分量,。因此,，電機所吸收的電流形狀近似正弦波。
圖 6. 由于電機是感性負載,，且能阻抗快速電流變化,，因此電機所吸收的電流近似正弦波
通過控制調(diào)制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅(qū)動器可以提供三相電源,，以驅(qū)動電機達到所要求的速度,。
矢量控制驅(qū)動器 / 磁場定向控制
交流感應(yīng)電機和同步電機的驅(qū)動器更先進，采用矢量驅(qū)動技術(shù),。此類驅(qū)動器比標量控制驅(qū)動器更靈活,、更高效，但也更復(fù)雜,。
矢量控制驅(qū)動器與標量控制驅(qū)動器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅(qū)動電機,，但是矢量控制驅(qū)動器的運行更平穩(wěn)，加速更快,，扭矩控制也更好,。此類控制系統(tǒng)通常使用磁場定向控制 (FOC)，并且比標量控制驅(qū)動器復(fù)雜得多,。
矢量D和矢量Q是正交矢量,，其大小與電機的扭矩和磁通量有關(guān)。
圖7. 矢量控制 / 磁場定向控制使用復(fù)雜的PWM波形
控制系統(tǒng)必須測量轉(zhuǎn)子的位置以使系統(tǒng)同步,。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來實現(xiàn)（還會使用無傳感器系統(tǒng),，其中控制系統(tǒng)使用電機的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子位置）?？刂破魇褂肅larke變換和Park變換來計算矢量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。
圖8. 矢量控制系統(tǒng)框圖
變頻驅(qū)動器系統(tǒng)的連接
示波器探頭的選擇
對變頻驅(qū)動系統(tǒng)進行功率測量需要使用電壓和電流探頭,。選擇示波器電壓探頭進行電機驅(qū)動器測量時,，一定要考慮以下幾點：
• 電機驅(qū)動器測量涉及相對較高的電壓。例如,，480V 三相電機驅(qū)動器中的直流母線電壓通常約為680V,。切記確認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較高,。也就是說,，測量結(jié)果通常相對于地面是“浮動"的，因此不能使用接地參考的探頭,。務(wù)必確保信號浮動不超過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足大多數(shù)日常測量需求,。
• 探頭應(yīng)能用于廣泛的測量任務(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)動器輸入/輸出和控制系統(tǒng)測量的通用電壓探頭,。
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)動器測量場景提供了良好的覆蓋范圍,。
注：接地參考無源探頭不應(yīng)用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位,，從而導(dǎo)致大量電流流過探頭和示波器接地,。這很危險，可能會導(dǎo)致被測設(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1GHz的帶寬,。
以下為一些建議用于電機驅(qū)動應(yīng)用的探頭：
型號 | 描述 |
高壓 ( 差分 ) 探頭 THDP0100 / 0200 | THDP系列探頭是一種良好的通用選擇,，適用于對各種功率電子逆變器和電機驅(qū)動子系統(tǒng)進行非接地參考的浮動測量。該系列探頭能夠測量高于地面數(shù)百伏的電壓和高達6000V的差分電壓,，具體因型號而異,。有100MHz和200Mhz兩種型號可供選擇。 |
光學(xué)隔離電壓探頭 IsoVu TIVP系列 | IsoVu探頭具很高的共模抑制比,，特別適用于在開關(guān)電路中精確測量高側(cè)柵源電壓 (VGS),，并且常用于驗證碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 應(yīng)用。 有各種探頭可供選擇,。MMCX探頭能夠提供高信號完整性，適用于電壓不超過250V的測量,。方針有兩種規(guī)格：0.100英寸 (2.54mm) 間距,，適用于電壓不超過600V的應(yīng)用；以及0.200英寸 (5.08mm) 間距,，適用于電壓不超過2500V的應(yīng)用,。 |
電流探頭 TCP0030A和TCP0150A | AC/DC電流測量探頭。TCP0030A具有大于120MHz的禁帶寬度,，并提供5ARMS和30 AARMS兩種可選測量范圍,。對于更高的電流應(yīng)用，則可使用TCP0150A,，可測量最大150 AARMS的電流,。 |
示波器探頭設(shè)置
在進行任何功率測量之前，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，以獲得準確的測量結(jié)果,。
在進行測量之前對電流探頭執(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,。剩磁會導(dǎo)致測量誤差,。消磁程序通常是通過移除電流探頭鉗口的所有導(dǎo)體,，然后按下消磁按鈕啟動的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會在您使用前自動提示您執(zhí)行消磁程序,。
校正過程可以校正任意兩個不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲,。這一步很重要，因為相位關(guān)系對于變頻驅(qū)動器系統(tǒng)上的許多測量至關(guān)重要,?；静襟E是向通道提供同步信號，并調(diào)整每個通道的延遲,，使各通道的信號對齊,。泰克公司提供功率測量校正夾具 (P/N 067-1686-xx) 來幫助解決此問題。
連接電流探頭時,，務(wù)必注意探頭上的箭頭標記,。如果電流探頭連接在負載的線路側(cè)，箭頭應(yīng)指向負載,。如果電流探頭連接在負載的返回側(cè),，則箭頭應(yīng)指向遠離負載的方向。
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