作為電機(jī)行業(yè)的“新人”， 無刷電機(jī)是實(shí)至名歸的后起之秀，以狂浪之勢涌入醫(yī)療，工業(yè)控制，消費(fèi)電子和汽車電子等高精度控制行業(yè)，“無刷“是不是未來電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢?本文以案例的形式扒一扒無刷電機(jī)那些事!
近年來，無刷電機(jī)在醫(yī)療，工業(yè)控制，消費(fèi)電子和汽車電子等高精度控制行業(yè)廣泛應(yīng)用，無刷電機(jī)性能的好壞很大程度上取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，研發(fā)階段，工程師如何借助示波器快速、便捷、真實(shí)的對(duì)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)進(jìn)行分析?本文主要介紹ZDS4054Plus數(shù)椐挖掘型示波器對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型測試及案例分析。
一、直流無刷電機(jī)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(jī)得到了迅速發(fā)展，無刷直流電機(jī)通過電子器件實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的換相，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械電刷和換相器。其由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等。無刷電機(jī)憑借噪聲低、壽命長、轉(zhuǎn)速高、體積小、動(dòng)態(tài)性能好、輸出力矩大、設(shè)計(jì)簡便等特點(diǎn)，在醫(yī)療、工業(yè)控制、消費(fèi)電子、電動(dòng)工具、電動(dòng)車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
二、無刷電機(jī)的工作原理
首先，看一下無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的框圖，如下：
有上圖可知，MCU通過配置寄存器輸出六路PWM只是控制信號(hào)，其最高電壓也只有5V，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而是通過控制功率管的開關(guān)來使電機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路一般是由多個(gè)MOSFET組成的驅(qū)動(dòng)橋和電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋功率管構(gòu)成。無刷電機(jī)的換向是換相是依靠轉(zhuǎn)子位置的檢測進(jìn)行的，其中有感驅(qū)動(dòng)方式是利用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的，無感驅(qū)動(dòng)方式是通過檢測和計(jì)算無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而進(jìn)行換相的。
換向原理
無刷電機(jī)內(nèi)部安裝有霍爾傳感器，其可以根據(jù)轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)的不同磁場方向分布情況，而給出1或0的輸出信號(hào)，三個(gè)傳感器均勻安裝，在360度的電角度上發(fā)生6次翻轉(zhuǎn)電平，每次相差60度電角度，根據(jù)三個(gè)傳感器的信號(hào)編碼測出轉(zhuǎn)子的位置，這就是常用的有感驅(qū)動(dòng)方式。另外，無感驅(qū)動(dòng)方式是通過檢測和計(jì)算無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的電流、電壓等參數(shù)變化，推測轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而進(jìn)行換相的。
驅(qū)動(dòng)電路工作原理
驅(qū)動(dòng)電路簡化圖
圖中Q1到Q6為功率場效應(yīng)管，當(dāng)需要AB相導(dǎo)通時(shí)，只需要打開Q1, Q4管，而使其他管保持截止。此時(shí)，電流的流經(jīng)途徑為：正極→Q1→線圈A→繞組B→Q4→負(fù)極。MCU給Q1的柵極是PWM信號(hào)，而給Q4的柵極是常開信號(hào)，這樣你就可以通過控制Q1輸入端的PWM信號(hào)占空比來控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效電壓。其他五步換向?qū)ㄒ彩沁@樣。實(shí)測各相波形如下：
各相電壓波形實(shí)測效果
三、ZDS4054Plus的實(shí)測應(yīng)用與分析
針對(duì)上述無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PWM信號(hào)分析，ZDS4054Plus示波器又有哪些新的測試體驗(yàn)?zāi)?
512Mpts大數(shù)椐存儲(chǔ)
針對(duì)案例中無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，工程師在觀察PWM信號(hào)時(shí)，若信號(hào)中出現(xiàn)異常，則難以通過觸發(fā)方式觸發(fā)，需要在大時(shí)基下，通過縮放模式分析包絡(luò)內(nèi)的信號(hào)，(在縮放窗口觀察波形細(xì)節(jié))，PWM信號(hào)頻率幾十K以上，需要保證較高的采樣率，同時(shí)PWM信號(hào)還伴隨有電流、編碼器等載波信號(hào)，需要多個(gè)通道分別觀察，從波形時(shí)間、采樣率、多通道三方面看，都需要大存儲(chǔ)。圖1為無刷電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在存儲(chǔ)深度設(shè)為350M時(shí)，捕獲7S的波形，采樣率依然高達(dá)50M Sa/s，保證了波形不失真。由公式：存儲(chǔ)深度=波形時(shí)間*采樣率可知，ZDS4000系列示波器標(biāo)配512Mpts存儲(chǔ)深度，保證在捕獲長時(shí)間波形同時(shí)保持高采樣率。
雙ZOOM模式+智能標(biāo)注
如上圖，在捕獲較長時(shí)間的波形后，如何對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)或異常信號(hào)進(jìn)行分析呢?另外，在工業(yè)伺服應(yīng)用方面，在不同的工況下，在切換不同負(fù)載的時(shí)候，對(duì)應(yīng)不同時(shí)間的驅(qū)動(dòng)器波形變化或出異常信號(hào)，整個(gè)負(fù)載切換到穩(wěn)定的過程時(shí)間較長，也需要在大存儲(chǔ)深度下，觀看波形細(xì)節(jié)，針對(duì)上述情況，ZDS4000系列示波器在保證大存儲(chǔ)深度的情況下，支持雙ZOOM縮放模式，可以為兩個(gè)縮放窗口分別設(shè)置系數(shù)，配合智能標(biāo)注功能，對(duì)任意處感興趣的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)注。圖中為對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，主時(shí)基內(nèi)的波形在兩個(gè)ZOOM窗口分別放大，ZOOM1為PWM周期信號(hào)，ZOOM2為PWM某一尖峰的振蕩波形，在大存儲(chǔ)深度的保證下，采樣率50M Sa/s，保證了波形細(xì)節(jié)的真實(shí)性。同時(shí)，配合智能標(biāo)注功能，如在主時(shí)基上做一標(biāo)注，在ZOOM1、ZOOM2上能夠快速找到標(biāo)注點(diǎn)，可看到ZOOM1中標(biāo)注點(diǎn)——PWM的第3個(gè)尖峰，在ZOOM2中可查看到尖峰的振蕩情況及幅值。
四、總結(jié)
ZDS4000系列數(shù)椐挖掘型示波器，憑借512M深存儲(chǔ)、雙ZOOM模式、模板觸發(fā)、FIR硬件濾波和智能標(biāo)定等功能，能夠快速、真實(shí)定位分析無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的異常波形，為無刷電機(jī)行業(yè)的波形調(diào)試提供完美解決方案!
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