HDO8000系列文章之六——电机驱动和控制系统的测试

国际能源机构IEA曾经声称全球45%的电能是电机所消耗的。在中国，这个比例是54%。这一方面反映了电机的使用是如此广泛，另一方面也敦促业界开发和使用更高效的电机。为了满足机电工程师对电机驱动和控制系统的测试需求，力科公司新推出基于8通道、12bit示波器的电机驱动和控制系统测试平台HDO8000。

图 1电机驱动和控制系统测试平台HDO8000

二. 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功率驱动部分

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。

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。

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。

三. 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

在《利用八通道示波器分析三相交流电》一文中，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

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：