技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试
品慧电子讯电机的使用相当广泛，同时电机的消耗也非常惊人。为了使电机更加的高效，满足工程师对电机驱动以及控制系统的测试必要性，业界开始了又一轮的能源挑战。本文将由名家为大家讲解电机驱动和控制系统测试。
图1 电机驱动和控制系统测试平台HDO8000一、电机测试需求分析
下图是一个典型的电机驱动和控制系统框图，大致分为功率驱动部分、电机控制部分、电机和传感器部分。
图2 一个典型的电机驱动和控制系统123下一页> - 第一页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（1）；
- 第二页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（2）；
- 第三页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（3）
1、功率驱动部分
图2 中的功率驱动部分是一个典型的级联H-bridge驱动电路。将其放大到图3显示：
图3 H-bridge驱动电路H-bridge驱动电路的输入为三相交流电，经过整流后变成直流电压(DC bus)。6个功率管组成的桥式电路将直流电压逆变为三相PWM信号输出给电机。
对于这一部分进行功率分析是电机测试最重要的内容。主要关注输入端的功率测量，输出端的功率测量，以及功率转换效率。
其次桥式电路的调试和验证也是必不可少的，这通常涉及对6个功率管的驱动电压、漏源电压和电流的测量。
2、电机控制部分
电机控制部分通常是一个嵌入式系统，核心是DSP或MCU，主要负责执行电机驱动算法、采集电机反馈信号以及和其他系统的通信接口。对这部分的测试涉及常规的数字电路测试，接口电路测试等。
3、电机和传感器
对电机的测试主要关注输入的电气功率、其实就是功率驱动部分的输出功率，电机输出的机械参数，即转速、扭矩、方向等，这些机械参数通常可由传感器输出。
二、测试功能
为了满足上述的测试需求，力科公司推出的8通道、12bit示波器HDO8000系列能够提供以下测试功能：
1. 功率分析
我们已经了解到如何用示波器测试三相电的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数等参数，对于电机功率驱动电路的输入和输出功率的测量也是相同原理。为了适应多种供电方式，HDO8000能够测量五种接线方式：单相两线制、单相三线制、三相三线制(两瓦特计和三瓦特计)、三相四线制。仪器界面会给出连线示意图，指导使用者如何连接被测信号。同时也提供火线-火线电压到火线-零线电压的转换。图4是设置界面示意。
图4 电机功率测试设置界面示意功率参数的测试结果能以表格方式显示在仪器界面上，如下图所示。
图5 功率数值测量结果<上一页123下一页> - 第一页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（1）；
- 第二页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（2）；
- 第三页：技术解析：名家讲解电机驱动和控制系统的测试（3）
除了图5所示的功率参数以外，还可以观测信号的波形，特别是能够提取一个周期内的细节波形以供分析。另外还能对功率等参数在长时间内变动情况做数值统计。这特别适合对电机启动和停止过程、负载变化过程做动态响应分析。例如当HDO8000存储深度为200Mpts，采样率设为10MS/s时，可以观测20秒长度的三相电电压、电流、各种功率、功率因数、相角的实时波形。下图是一个长时间动态响应分析的例子：
图6 电机驱动动态响应分析例子2. 功率器件的调试和验证
除了对功率驱动部分的输入、输出功率进行测量分析以外，还可以针对其中的功率器件(MOSFET/IGBT/GTR)进行测量分析，比如：
栅极驱动信号测量
饱和漏-源压降
开关管瞬时功率
开关管导通和关断损耗
开关管上电过程不同阶段的损耗
动态导通电阻
安全工作区(SOA)
因为HDO8000是一款8通道示波器，它能够同时观测多个开关管的状态，这对于调试和验证桥式驱动电路非常必要。例如下图显示了一个H-bridge驱动电路在启动过程的信号。利用HDO8000同时测量驱动输出的6个电压和电流信号，多个功率器件的异常开关能够同时观测到，有利于加快调试进度。
图7 H-bridge驱动电路输出电压电流波形3. 电机机械参数测量
HDO8000支持直接测量电机传感器输出信号，可以在仪器界面上显示出转速、扭矩、方向、位置等机械参数，目前支持的传感器种类有:
脉冲式转速传感器
霍尔传感器
旋转变压器(Resolver )
正交编码器(Quadrature Encoder )
4. 电机控制系统测试
HDO8000借助8个模拟通道和最多16个数字逻辑通道可以测量分析嵌入式系统的各种模拟和数字信号。例如嵌入式系统中常用的UART、I2C、SPI、以太网等信号，机电系统中常用的CAN,RS-232/422/488总线等，下图是一个 CAN总线信号测试的示意。借助解码功能，可以直接在示波器上将信号所表示的CAN消息解码出来：
图8 CAN总线测试示意
