脉宽调制(PWM)电机驱动器电源分析

　　1 概述

　　三相交流电机工作可靠、高效、费效比高，需要少量维修或根本不需要维修，一直是工业领域的主力。此外，交流电机(如感应电机和磁阻电机)无需与转子的电气连接，因此很容易实现阻燃，适用于矿山等危险环境等应用场合。

　　采用脉宽调制(PWM)的三相电机驱动电路工作原理框图如图1所示，为电机提供三相供电电源，电压和频率可以变化。PWM交流电机驱动器可以高效提供从零速到全速的全转矩，并且通过改变驱动电源的供电相位相序，可以很容易实现电机双向运转。

　　2 脉宽调制电机驱动器原理

　　三相交流输入供电电源经过整流和滤波后，产生直流总线，为驱动器的逆变器部分提供电源。逆变器由3 对半导体开关(MOSFET、GTO、功率晶体管、IGBT 等)及相关二极管组成。每对开关为电机的一个相位提供功率输出。

　　为了驱动电机，控制电路生成三个相位互差120°的低频正弦波，分别对每对开关的载波脉冲进行调制。在每个载波周期内，正脉冲和负脉冲的宽度是按照该相位低频正弦波的幅度进行调制的，如图2所示。

　　虽然向电机绕组施加的脉宽调制电压波形包含所需频率的分量，但其中也包含许多频率更高的其他分量。

　　但是，电机在很大程度上可以看作逆变器输出电压的电感负载。由于电感对较高频率具有更高的阻抗，因此电机吸收的大部分电流在脉宽调制输出波形中是如图3所示的较低频率分量。结果是，电机吸收的电流近似为正弦波。

　　由于电机负载生成的反电动势在基频是正弦电压，因此它在谐波和更高频率不提供反向电流。由于这个原因，同电机是纯电感情况下的基波电流相比，这些电流幅值更高。

　　重要的是，载波电流设计要在绕组中尽可能生成正弦波电流。特别是，必须最大限度地减少生成的低阶谐波电压电平，因为电机对这些电压的阻抗非常低。实用中，驱动器将在电机中生成：

　　a) 基频处“有用”的电流分量。

　　b) 在基频数倍频率处“无用的”电流分量(谐波)，以及在载频相关频率处的电流分量。

　　在电机电流中“无用”电流分量对电机的影响有两个，它们是：

　　1. 非基波电流分量代表电机定子和转子绕组中的额外电流，将产生热量，降低电机工作效率。

　　2. “无用的”电流分量将在定子中生成磁场，可能包含负相或零相序列，形成负转矩或制动转矩。这可能大幅降低电机可用功率数量。

　　通过测量逆变器中基波输出功率和总输出功率、对电压和电流波形进行谐波分析以及对电机转矩/ 速度进行测量，可以分析电机运行期间无用电流分量的影响。

　　提供给电机的唯一有用功率是在基频驱动电压和电流。与谐波或载波频率有关的任何功率都不会有助于电机的有用功。最高效的脉宽调制驱动器不仅使逆变器损耗最小化，而且生成最纯的正弦电流驱动波形，把电机本身的功率和转矩损耗降到最低。

　　3 对脉宽调制电机驱动器的测量

　　通过在电机输出轴安装转速和转矩传感器，可以对电机输出进行测量，采用泰克PA4000功率分析测试仪的测量工作原理框图如图4所示。

　　(1)驱动器输出测量

　　脉宽调制驱动器的输出波形非常复杂，由一系列高频分量( 因载波) 和低频分量( 因基波) 组合而成。对大多数功率分析仪来说带来的问题是：如果在高频测量，那么波形中的低频信息将丢失;如果滤除脉宽调制波形在低频测量，那么高频数据将丢失。

　　这个问题的出现是因为低频对波形进行调制。因此，高频测量( 如总电压有效值、总功率等) 必须在高频处进行，必须超出输出波形低频分量的整数倍。

　　泰克PA4000功率分析仪利用脉宽调制输出测量的特殊工作模式克服了这个难题。它对数据进行高速采样，并实时计算总体数量，包括所有谐波和载波分量。同时，对采样数据进行数字化滤波，提供低频测量。

　　除了从同一测量中获得低频和高频信号结构外，该技术允许高频测量与低频信号同步，这是提供精确和稳定的高频测量结果的唯一方法。但是，为了优化低频测量结果，应当选用正确的滤波器。

　　(2)测量电路连接

　　对电机驱动器进行电压测量电路连接通常比较简单，进行电机工作电流测量的测试电路连接则更具挑战性。进行电流测量连接主要有两种方式。第一种方式是“分割”导体，并使电流通过电流分流器，然后测量电流分流器两端电压降。虽然这种方式在低功率情况下可行，但当电流较高时行不通。

　　对大电流测量，可以使用电流传感器，使用电流传感器的原因主要以下有3 个：

　　1)正在测量的信号可能与测量设备不兼容。例如，大部分测试台仪器无法测量超过100 A 的电流，而这么大的电流是大型电机和驱动器中常见的。

　　2)消除测量仪器与测量信号的耦合。在脉宽调制驱动器中，快速开关电压(dV/dt) 往往造成正在测量的输出信号具有很大的共模分量。

　　大的共模电压会给电流测量结果带来不确定性。使用电流传感器隔离分析仪的电流输入和电压波动，从而消除因共模引起的测试结果不确定性。

　　3)为了便利和安全。在电机系统中往往存在高压，而且电源阻抗往往极低。如果连接不正确，可能会造成大量能量流动。

　　4 选择正确的电流传感器

　　电流传感器有许多种，在电机测量中使用的4 种最常见电流传感器是：

　　(1)电流钳;

　　(2)闭环霍尔效应;

　　(3)IT 型闭环;

　　(4)电流互感器。

　　为了在电机驱动器的典型信号带宽内实现最佳性能，应使用闭环传感器。在驱动器输入中可以使用电流互感器和电流钳，但在驱动器输出中效果则不好。这是因为电流互感器在低频( 低驱动速度) 性能不佳，而且将限制测量与开关有关高频频率的能力。

　　在选择传感器时，重要的是考虑所需测量的信号和测量设备。选择与需要测量的最大信号( 包括峰值) 相对应的最大输入范围传感器。这将充分发挥传感器范围的效用。

　　在不引起过冲的前提下，希望传感器输出信号尽可能大。输入信号越大，信噪比越高，测量结果越好。

　　5 使用电流传感器

　　对闭环霍尔效应电流传感器，应当谨慎进行连接，需为传感器提供电源。电源通常包括正电源和负电源，而且必须提供足够电流，这个电流通常为10mA ～ 50mA。传感器应当尽可能靠近测量仪器，以降低次级引线的电压和磁场耦合。

　　传感器输出是单一电流输出，信号和电源公用回路。该输出应当直接与测量设备电流输入的高端连接。测量设备电流输入的低端应当连接至与传感器电源相同的回路。而且，所有引线应当尽可能短。输出应当靠近电源连接。从理想角度而言3条线应当绞合在一起。在脉宽调制驱动器环境中，接地和屏蔽有利于提高测试精度。

　　屏蔽电缆将改进测试效果。屏蔽接地，并与传感器电源公共端相连。并且，在相应的地方，它将与传感器接地相连。屏蔽可以保护电源连接与信号。

　　为获得精确的测量结果，需要为仪器配置两个参数：

　　(1)分流器选择，这是在每组基础上设置的;

　　(2)电流输入比例因子，这是在每通道基础上设置的。

　　6 结束语

　　目前，脉宽调制电机驱动器广泛用于工业领域，而且也在电动汽车和家用空调机等诸多领域得到广泛应用。泰克PA4000功率分析仪利用业界首创的螺旋分流(Spiral ShuntTM) 技术以及动态频率同步技术可以实现可靠测量电机驱动有关参数，实现对驱动器基频的稳定跟踪。该技术对数据进行高速采样，对其总体测试参数( 包括所有谐波和载波分量) 进行实时计算。同时，它对采样数据进行数字化滤波，提供低频测量，如基频测量和输出频率测量，使PA4000 成为脉宽调制驱动器测量的理想解决方案。