脉宽调制(PWM) 马达驱动器电源的测试分析（下）

对任意系统，要想对其损耗和效率进行测量，最好对系统输入和输出进行同步测量，如图11 所示。

图11. 效率测量图

对于高效系统( 如脉宽调制驱动器) 来说，这一点特别重要。这是因为，如果对输出和输出分开测量，而且在测量之间关闭系统来切换仪器，那么就不能始终确保两个测量具有完全相同的负载条件。如果忽视负载条件的任何差异，那么都会导致测得损耗的误差。

例如:

设置Number 1 — 测量输入。

关闭系统，重新连接输出测量，并再次开启系统：

设置Number 2 — 测量输出( 但条件稍微变化)。

表现损耗 = 1052.6 W - 1020 W = 32.6 W

实际损耗 = 1073.7 W - 1020 W = 53.7 W

这说明测得的损耗误差非常大!

为了避免这类误差，您可以使用4 通道仪器，如PA4000 功率分析仪，它能够对驱动器输入和输出同时进行两表法测量，如图12所示。

图12. 利用两表法实现PA4000 与驱动器输入、输出端连接

使用这个方法将确保精确测量，即使输入和输出测量之间的条件可能稍有变化。条件的稍微变化无关紧要，因为每次效率测量都是同步测量。

[page]

9. 进行连接

对马达驱动器进行电压连接通常只是小事一桩，因为对各相之间电压进行测量。进行电流连接则更具挑战。进行电流连接主要有两种方式。第一种是方式“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。虽然这种方式在地功率情况下可行，但当电流较高时，则行不通。

对于大电流，可能使用电流传感器。通常，这涉及到使初级电流载流导体与电流测量设备相连。测量设备生成一个与初级电流成比例的次级电流。

一般情况下，这需要通过电流测量装置的初级载流导体传递。测量设备创建一个与初级电流成比例的次级电流。

为什么使用电流传感器?

使用电流传感器的原因主要有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马达和驱动器中常见的。

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。高共模电压给电流测量带来不确定性。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不确定性。

3. 为了便利和安全。在马达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，可能造成大量能量流动。

选择正确的电流传感器

电流传感器有许多种，在马达测量中使用的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

为了在马达驱动器的典型信号带宽中实现最佳性能，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。

当选择传感器时，重要的是考虑正在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。

您还希望对测量设备而言，在不引起过冲的前提下，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。

使用电流传感器

对于闭环霍尔效应电流传感器，应当谨慎进行连接。将为传感器提供电源。电源通常包括正电源和负电源，而且必须提供足够电流，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。从理想角度看， 3 条线应当绞合在一起。

在脉宽调制驱动器环境中，在需要情况下，接地和屏蔽是一个好习惯。在低连接中使用可叠堆4mm 将使低连接很容易接地。

屏蔽电缆将改进性能。屏蔽将接地，并与传感器电源公共端相连，而且，在相应的地方，它将与传感器接地相连。屏蔽将保护电源连接与信号。

如果初级载体中电流占额定电流百分率较低，或者同测量仪器可用的电流量程相比，传感器输出较低，那么通过让电流多次通过传感器核心，可以改进电路性

能。

例如， 如果您只有1000A 输入、1A 输出(1000:1)传感器，但您希望测量10A 电流，且输出电流只有10mA。为了更好地使用测量系统，使初级导体通过传感器10 次，将使输出电流增加至100mA。从初级载体角度看，初级电流从10A 增加至100A。

对于不同类型的电流传感器，为正确地读取电流，需要对测量仪器进行比例缩放。以1000:1 电流传感器为例，实际测量的电流是真实电流的1/1000。因此，电流输入需要扩大1000 倍。

电流传感器与PM4000 一起使用

PA4000 的设计目的是与外部传感器一起使用。其设计特性包括：

1. 可选择+/-15V 电源，与许多常用的闭环电流传感器一起使用。

2. 每通道电流单独缩放。

3. 后面板接地连接，简化电流测量低连接的屏蔽与接地。

4. 内建1 Arms 分流器，非常适合电流传感器输出。

如果您正在使用泰克电流钳或变压器，那么这些设备输出是4mm 安全香蕉插座。电缆可以直接插入PA4000 的电流分流器。由于电流传感器或电流钳的典型输出低1A，内建1A 分流器是个不错的选择。

为了获得精确的测量，只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。比例因子是:

如果您正在使用闭环电流传感器，那么需要向传感器提供电源。PA4000 内置的可选择±15V 电源非常适合这个功能。PA4000 的+15V 和-15V 电源必须与电流传感器连接，参见图13。

图13. 使用闭环电流传感器与PA4000 功率分析仪连接

传感器输出必须连接至通道1 的AHi 或A1A 连接器。由于闭环传感器输出往往低于1A，因此A1A 连接器通常是更好的选择。电流通道的Alo 连接器必须与传感器电源连接器的公共端相连。[page]

为了获得最佳性能，3 个连接器应当绞合在一起并进行屏蔽，屏蔽连接至传感器电源公共端。传感器电源公共端应当与PA4000 后面板的接地端相连。

10. 动态负载条件下的驱动器性能

脉宽调制驱动器的功耗和输出特性随着马达负载变化。虽然您的测试协议可能调用具体线路或负载条件下的测试 ，但您可能还需要检查变化条件下的功率特性。对负载变化期间的功率特性进行分析可能产生大量数据，不过，有了适当的软件和相配的分析仪，您可以随着负载或 其他条件变化，利用计算机来搜集和分析测量数据。

在这些应用中，功率分析仪就像一个精密测量系统，快速向计算机反馈数据，并存储数据，用于进一步分析。

图14 给出泰克PWRVIEW 软件收集的来自PA4000功率分析仪的测量数据，PA4000 利用单相线路输入和三相驱动器输出与脉宽调制驱动器相连。除了收集数据，该软件还允许您对分析仪进行控制，这样可以在计算机上对其进行配置。图15 给出三相输入读数的实例，包括详细的电压、电流和功率谐波图。

图14. PWRVIEW软件显示出脉宽调制马达驱动器的多个功率参数。

图15. 记录随时间变化的测量数据，并绘制图表( 如这里所示的Microsoft Excel)。该图给出马达启动期间的测量数据。

11. 结束语

目前，脉宽调制马达驱动器正成为变速马达控制的主要方法，不仅用于工业领域，而且用于电动汽车和家用空调机等诸多领域。脉宽调制驱动器产生复杂波形，无论 是其输出至马达，还是为驱动器提供电源。泰克PA4000 功率分析仪利用业界首创的螺旋分流(SpiralShuntTM) 技术以及动态频率同步技术解决这个问题，实现对驱动器基频的稳定跟踪。

这项技术加上脉宽调制输出的特殊运行模式，可提供持续的精确测量。该技术对数据进行高速采样，对其总体数量( 包括所有谐波和载波分量) 进行实时计算。与此同时，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，使得PA4000 成为脉宽调制驱动器测量的理想解决方案。