示波器在直流无刷电机行业的典型应用

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。

四、总结

ZDS4000系列数椐挖掘型示波器，凭借512M深存储、双ZOOM模式、模板触发、FIR硬件滤波和智能标定等功能，能够快速、真实定位分析无刷电机驱动器的异常波形，为无刷电机行业的波形调试提供完美解决方案！