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示波器在直流无刷电机行业的典型应用

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　　作为电机行业的“新人”，无刷电机是实至名归的后起之秀，以狂浪之势涌入医疗，工业控制，消费电子和汽车电子等高精度控制行业，“无刷“是不是未来电机行业的发展趋势本文以案例的形式扒一扒无刷电机那些事!

　　近年来，无刷电机在医疗，工业控制，消费电子和汽车电子等高精度控制行业广泛应用，无刷电机性能的好坏很大程度上取决于电机驱动器，研发阶段，工程师如何借助示波器快速、便捷、真实的对驱动器信号进行分析本文主要介绍ZDS4054Plus数椐挖掘型示波器对电机驱动器的典型测试及案例分析。

　　一、直流无刷电机介绍

　　随着电力电子的发展和新型永磁材料的出现，无刷直流电机得到了迅速发展，无刷直流电机通过电子器件实现了电机的换相，取代了传统的机械电刷和换相器。其由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速;提供保护和显示等。无刷电机凭借噪声低、寿命长、转速高、体积小、动态性能好、输出力矩大、设计简便等特点，在医疗、工业控制、消费电子、电动工具、电动车等领域广泛应用。

　　二、无刷电机的工作原理

　　首先，看一下无刷电机驱动器的框图，如下：

　　有上图可知，MCU通过配置寄存器输出六路PWM只是控制信号，其最高电压也只有5V，不能直接驱动电机，而是通过控制功率管的开关来使电机运行，驱动电路一般是由多个MOSFET组成的驱动桥和电机驱动桥功率管构成。无刷电机的换向是换相是依靠转子位置的检测进行的，其中有感驱动方式是利用霍尔传感器检测转子位置的，无感驱动方式是通过检测和计算无刷电机转动过程中的电流、电压等参数变化，推测转子位置，进而进行换相的。

　　换向原理

　　无刷电机内部安装有霍尔传感器，其可以根据转子不同位置时的不同磁场方向分布情况，而给出1或0的输出信号，三个传感器均匀安装，在360度的电角度上发生6次翻转电平，每次相差60度电角度，根据三个传感器的信号编码测出转子的位置，这就是常用的有感驱动方式。另外，无感驱动方式是通过检测和计算无刷电机转动过程中的电流、电压等参数变化，推测转子位置，进而进行换相的。

　　驱动电路工作原理

　　驱动电路简化图

　　图中Q1到Q6为功率场效应管，当需要AB相导通时，只需要打开Q1, Q4管，而使其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极→Q1→线圈A→绕组B→Q4→负极。MCU给Q1的栅极是PWM信号，而给Q4的栅极是常开信号，这样你就可以通过控制Q1输入端的PWM信号占空比来控制驱动电机的有效电压。其他五步换向导通也是这样。实测各相波形如下：

　　各相电压波形实测效果

　　三、ZDS4054Plus的实测应用与分析

　　针对上述无刷电机驱动器的PWM信号分析，ZDS4054Plus示波器又有哪些新的测试体验呢

　　512Mpts大数椐存储

　　针对案例中无刷电机的驱动电压，工程师在观察PWM信号时，若信号中出现异常，则难以通过触发方式触发，需要在大时基下，通过缩放模式分析包络内的信号，(在缩放窗口观察波形细节)，PWM信号频率几十K以上，需要保证较高的采样率，同时PWM信号还伴随有电流、编码器等载波信号，需要多个通道分别观察，从波形时间、采样率、多通道三方面看，都需要大存储。图1为无刷电机PWM驱动信号，在存储深度设为350M时，捕获7S的波形，采样率依然高达50M Sa/s，保证了波形不失真。由公式：存储深度=波形时间*采样率可知，ZDS4000系列示波器标配512Mpts存储深度，保证在捕获长时间波形同时保持高采样率。

　　双ZOOM模式+智能标注

　　如上图，在捕获较长时间的波形后，如何对PWM驱动信号或异常信号进行分析呢另外，在工业伺服应用方面，在不同的工况下，在切换不同负载的时候，对应不同时间的驱动器波形变化或出异常信号，整个负载切换到稳定的过程时间较长，也需要在大存储深度下，观看波形细节，针对上述情况，ZDS4000系列示波器在保证大存储深度的情况下，支持双ZOOM缩放模式，可以为两个缩放窗口分别设置系数，配合智能标注功能，对任意处感兴趣的信号进行标注。图中为对PWM驱动信号，主时基内的波形在两个ZOOM窗口分别放大，ZOOM1为PWM周期信号，ZOOM2为PWM某一尖峰的振荡波形，在大存储深度的保证下，采样率50M Sa/s，保证了波形细节的真实性。同时，配合智能标注功能，如在主时基上做一标注，在ZOOM1、ZOOM2上能够快速找到标注点，可看到ZOOM1中标注点——PWM的第3个尖峰，在ZOOM2中可查看到尖峰的振荡情况及幅值。