概述

本指南將介紹 如何使用泰克8通道5系列B MSO示波器的逆變器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器分析軟件對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)器的輸入、直流母線和輸出進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確的電氣測(cè)量，以及對(duì)電機(jī)進(jìn)行機(jī)械測(cè)量 。

上篇跳轉(zhuǎn)：使用示波器對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量（http://m.ptau.cn/article/202502/467247.htm）

輸入（線路）測(cè)量

大多數(shù)工業(yè)和重型商用變頻驅(qū)動(dòng)器都采用三相輸入。較小的驅(qū)動(dòng)器可能使用單相線電壓。特別是在電動(dòng)汽車(chē)和其他電池供電的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)器通常采用直流供電。IMDA電源分析軟件支持所有這些配置（參見(jiàn) 上集的“接線配置” ）。在IMDA測(cè)量包中，電能質(zhì)量測(cè)量組和諧波測(cè)量組用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)器的功耗以及驅(qū)動(dòng)器對(duì)配電系統(tǒng)的預(yù)期影響。

電能質(zhì)量

電能質(zhì)量測(cè)量組包括表征驅(qū)動(dòng)器功耗的測(cè)量。這些測(cè)量也可以用于驅(qū)動(dòng)器的輸出（請(qǐng)參閱下面的“輸出測(cè)量”）。 圖21 顯示了電氣分析部分中的電能質(zhì)量測(cè)量。選擇電能質(zhì)量測(cè)量會(huì)生成相量圖、波形和測(cè)量標(biāo)識(shí)。圖中顯示了已配置繞組的電能質(zhì)量能量和功率數(shù)學(xué)波形。功率波形是使用數(shù)學(xué)算法將各相的電壓和電流波形相乘得出的。

圖21. 在泰克IMDA軟件中，測(cè)量分為電能質(zhì)量、諧波、紋波和效率。還提供DQ0和機(jī)械測(cè)量的選擇。

電能質(zhì)量測(cè)量可用于確認(rèn)探頭和接線配置是否正確。如果一個(gè)或多個(gè)功率測(cè)量顯示負(fù)讀數(shù)，請(qǐng)檢查您的電流探頭，確認(rèn)與負(fù)功率讀數(shù)相關(guān)的通道上的探頭是否連接錯(cuò)誤。對(duì)于三相系統(tǒng)，請(qǐng)檢查相量圖。正常情況下，各相電壓應(yīng)基本相同，相位差為120°。

用戶可以選擇只測(cè)量基頻的電能質(zhì)量，也可選擇測(cè)量所有頻率的電能質(zhì)量。當(dāng)選擇“基頻”選項(xiàng)時(shí)，將僅測(cè)量基頻分量。當(dāng)選擇“所有頻率”選項(xiàng)時(shí)，將計(jì)算所有諧波（包括基頻）的電能質(zhì)量測(cè)量值。

相量圖：圖22所示的相量圖是一個(gè)圓形圖，表示相電壓和相電流之間以及各相電壓和電流之間的幅度和相位角。理想情況下，一個(gè)平衡的三相系統(tǒng)具有幅度相等的矢量，且相鄰矢量的相位差正好是120°。

圖22. 相量圖顯示各相電壓和電流之間的關(guān)系。一眼可以看出該圖顯示了系統(tǒng)的平衡以及電壓和電流（電容或電感）之間的相移。

相量圖（ 圖22 ）給出了各相的以下測(cè)量值：

? 相對(duì)于參考相電壓（ 圖22 中的VaN）的RMS電壓和相位角

? 相對(duì)于參考相電壓的RMS電流和相位角

? 電壓和電流之間的相位

? 功率因數(shù)

電能質(zhì)量測(cè)量標(biāo)識(shí)（示例見(jiàn) 圖23 ）顯示了許多測(cè)量值。在此示例中，3V3I配置中提供各相的以下測(cè)量值：

V _RMS

在整數(shù)個(gè)周期內(nèi)測(cè)得的相電壓的RMS值。相電壓的數(shù)量因接線配置而異。

V _MAG

在電機(jī)工作頻率下測(cè)得的相電壓幅值。工作頻率是電壓信號(hào)的基頻，通過(guò)應(yīng)用快速傅里葉變換 (FFT)確定。

I _RMS

在整數(shù)個(gè)周期內(nèi)測(cè)得的相電流的RMS值。電流數(shù)量可能因接線配置而異。

I _MAG

在電機(jī)工作頻率下測(cè)得的相電流信號(hào)的幅值。工作頻率是電流信號(hào)的基頻，通過(guò)應(yīng)用FFT確定。

波峰因數(shù)（電壓波峰因素VCF和電流波峰因素ICF）

波峰電壓或電流與RMS電壓或電流的比值。( 正弦波的波峰因數(shù)為1.414。)

有功功率 (TrPwr)

有功功率通過(guò)以下公式確定：

在離散域中，公式為：

其中n = 1,2…N，N表示樣本數(shù)。

有功功率 (P) 是傳輸?shù)截?fù)載電阻部分的實(shí)際功率，以瓦特為單位。請(qǐng)注意，只有純正弦波的有功功率才等于V _RMS × I _RMS × cos(φ)，此時(shí)，φ表示電壓和電流波形之間的角度。

視在功率 (ApPwr) 的計(jì)算公式為：

ApPwr = V _RMS × I _RMS

其中VRMS和IRMS根據(jù)電壓和電流波形計(jì)算得出。

單位為VA。

請(qǐng)注意，此處不能對(duì)MATH1功率波形執(zhí)行RMS計(jì)算，否則將得出錯(cuò)誤的結(jié)果。

無(wú)功功率 (RePwr) 的計(jì)算公式為：

單位是VAR，即無(wú)功伏安。

功率因數(shù) (PF) 的計(jì)算公式為：

作為兩個(gè)功率的比值，功率因數(shù)被認(rèn)為是無(wú)量綱數(shù)。這種計(jì)算比使用相位余弦更可取，因?yàn)椴粌H考慮了基頻，還考慮了所有測(cè)得的頻率分量。

相位角 (Phase) 的計(jì)算公式為：

單位是度。與功率因數(shù)計(jì)算一樣，該計(jì)算方法考慮了整個(gè)測(cè)量頻譜。

對(duì)于任何多相系統(tǒng)，電能質(zhì)量測(cè)量結(jié)果給出以下總計(jì)數(shù)量：

? 頻率 (Freq) 根據(jù)低通濾波邊沿信號(hào)的周期計(jì)算得出。

? 總有效功率 (STrPwr) 是所有相的有效功率之和。

? 總無(wú)功功率 (SRePwr) 是所有相的無(wú)功功率之和。

? 總視在功率 (SApPwr) 是所有相的視在功率之和。

圖23. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入（線路）側(cè)的電能質(zhì)量測(cè)量。

諧波

諧波測(cè)量呈現(xiàn)基頻及其諧波處的信號(hào)幅度，并測(cè)量信號(hào)的RMS幅度和總諧波失真?？梢愿鶕?jù)IEEE-519或IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)或自定義限制來(lái)評(píng)估測(cè)量結(jié)果。例如，可以將IEC61000-3-12標(biāo)準(zhǔn)的限制以csv文件的形式加載，并根據(jù)這些限制進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以記錄在詳細(xì)報(bào)告中，注明是否合格。

圖24. 諧波可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出上測(cè)量。此例顯示了驅(qū)動(dòng)器三相輸出上的諧波。

直流母線測(cè)量

紋波可以在兩個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)測(cè)量，即在直流母線和開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體上測(cè)量。

線路紋波： 該測(cè)量提供相應(yīng)交流電壓信號(hào)的線路頻率部分的RMS和峰 - 峰值測(cè)量值。

開(kāi)關(guān)紋波： 該測(cè)量提供相應(yīng)電壓信號(hào)的RMS和峰峰值測(cè)量值。

圖25. 直流母線上的紋波。

開(kāi)關(guān)分析

圖26. 開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量有助于優(yōu)化逆變器設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)或驗(yàn)證變頻驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的開(kāi)關(guān)電路時(shí)，了解與驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)階段相關(guān)的損耗非常重要。選項(xiàng)5-PWR和6-PWR提供開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量和斜率。電壓探頭連接到開(kāi)關(guān)的兩端，而電流探頭連接用于測(cè)量流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流。

可以添加多個(gè)測(cè)量來(lái)獲取各開(kāi)關(guān)的測(cè)量值。

5/6-PWR分析包包括以下測(cè)量：

開(kāi)關(guān)損耗： 測(cè)量開(kāi)關(guān)器件開(kāi)啟、關(guān)閉和傳導(dǎo)區(qū)域中的平均瞬時(shí)功率或能量。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)V和I波形計(jì)算得出的。

dv/dt： 測(cè)量電壓從基準(zhǔn)參考水平(RB)上升到最高參考水平(RT)或從最高參考水平(RT)下降到基準(zhǔn)參考水平(RB)過(guò)程中的變化率（斜率）。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)電壓和電流波形計(jì)算得出的。

di/dt： 測(cè)量電流從基準(zhǔn)參考水平(RB)上升到最高參考水平(RT)或從最高參考水平(RT)下降到基準(zhǔn)參考水平(RB)過(guò)程中的變化率（斜率）。該測(cè)量將創(chuàng)建一個(gè)功率波形，而功率波形是根據(jù)每對(duì)電壓和電流波形計(jì)算得出的。

互動(dòng)時(shí)間

案例分享 ：

你在實(shí)際測(cè)量中遇到過(guò)哪些棘手的問(wèn)題？你是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的案例，讓我們一起學(xué)習(xí)！

直接正交零點(diǎn) (DQ0) 的變換和測(cè)量

Clarke和Park變換通常用于簡(jiǎn)化磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的實(shí)施。顯示了一個(gè)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的示例。在該控制系統(tǒng)中，這些變換用于將施加到電機(jī)的三相電壓轉(zhuǎn)換為正交D矢量和Q矢量。這些簡(jiǎn)化的矢量可以輕松轉(zhuǎn)換和集成，以保持所需的速度。然后可以使用逆變換來(lái)創(chuàng)建逆變器中脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

這些D矢量和Q矢量可能位于數(shù)字信號(hào)處理模塊（例如 FPGA）的深處，并且可能無(wú)法直接測(cè)量。IMDA軟件提供DQ0分析選項(xiàng)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置根據(jù)三相輸出電壓或電流得出D和Q的測(cè)量值，從而可以快速輕松地查看控制系統(tǒng)的調(diào)整效果。

圖27. DQ0相量圖顯示D矢量、Q矢量和合成矢量(R)，其中電機(jī)速度和方向反饋由正交編碼器傳感器提供。

除了D矢量和Q矢量，分析軟件還顯示合成矢量 (R)。R矢量是通過(guò)計(jì)算D矢量和Q矢量上各采樣點(diǎn)的D和Q斜邊矢量得出的。R矢量的起始角度是為0度，根據(jù)正交編碼器接口(QEI)的索引脈沖(Z)確定。增量角度由QEI根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(PPR)和電機(jī)的極對(duì)數(shù)計(jì)算得出。通過(guò)觀察R矢量旋轉(zhuǎn)，可以確認(rèn)控制系統(tǒng)是否正在平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。還可以查看換向次數(shù)。請(qǐng)注意，上方圖27中R矢量圖中的六個(gè)失真點(diǎn)對(duì)應(yīng)于六個(gè)換向步驟。圖28顯示了DQ0測(cè)量的源設(shè)置示例。除了選擇源和接線方式之外，還可以指定可應(yīng)用于所有源或僅用于邊沿限定器的低通濾波器。這有利于減少由于電磁干擾(EMI)拾取和開(kāi)關(guān)噪聲引起的噪聲。

圖28. 配置示波器以在使用正交編碼器接口 (QEI) 的系統(tǒng)上進(jìn)行DQ0測(cè)量。

輸出測(cè)量

PWM驅(qū)動(dòng)器的輸出波形很復(fù)雜，由與載波相關(guān)的高頻分量和與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基頻相關(guān)的低頻分量構(gòu)成。使用示波器對(duì)PWM波形進(jìn)行測(cè)量可能頗具挑戰(zhàn)，因?yàn)楹茈y實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的觸發(fā)。

圖29. 此處顯示的PWM波形包括一個(gè)頻率可達(dá)數(shù)百千赫茲的載波和電機(jī)對(duì)其做出響應(yīng)的較低頻率平均電壓。

棘手的是，波形是在低頻下進(jìn)行調(diào)制的。因此，高頻測(cè)量（例如總rms電壓、總功率等）必須在高頻下進(jìn)行，但要覆蓋輸出波形中低頻分量的整數(shù)個(gè)周期。

IMDA軟件的主要優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)WM波形進(jìn)行穩(wěn)定的測(cè)量。該軟件能夠解調(diào)用戶指定為“邊沿限定器”的通道上的PWM波形，并將包絡(luò)提取為“數(shù)學(xué)通道”。這使測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)精確的同步。

在變頻驅(qū)動(dòng)器輸入上使用的相同電能質(zhì)量和諧波測(cè)量也可用于驅(qū)動(dòng)器的輸出，用于測(cè)量電壓、電流、相位和功率。詳細(xì)介紹見(jiàn)本指南的“輸入測(cè)量”部分。除單相三線配置僅可用作輸入測(cè)量外，相同的接線配置可同時(shí)用于輸入和輸出測(cè)量。

圖30. 電能質(zhì)量測(cè)量組提供了一組快速穩(wěn)定的PWM輸出測(cè)量的概覽，包括電壓、電流、相位角、有功功率、視在功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)。

效率測(cè)量

效率測(cè)量是指相應(yīng)輸入和輸出電壓和電流對(duì)的輸出功率與輸入功率的比值。在5系列和6系列MSO上，輸入和輸出均采用雙功率表法（V1*I1和V2*I2）。如此可以使用八個(gè)輸入通道完成三相輸入和輸出功率的完整測(cè)量，如圖31所示。

圖31. 使用8個(gè)示波器輸入通道測(cè)量三線輸入三線輸出系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)效率。

圖32. 使用5/6系列MSO示波器進(jìn)行效率測(cè)量的三線輸入三線輸出配置設(shè)置。

圖33. 使用雙功率表法對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出進(jìn)行效率測(cè)量。

機(jī)械測(cè)量

機(jī)械電機(jī)測(cè)量，例如角位置、旋轉(zhuǎn)方向、速度、加速度和扭矩的測(cè)量，為控制系統(tǒng)提供了重要的反饋。根據(jù)電機(jī)和控制系統(tǒng)的類型，使用不同類型的傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)械參數(shù)。電機(jī)速度通常用每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)或繞固定軸的每分鐘完整轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示。加速度指速度變化率。扭矩是電機(jī)在其輸出軸上產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，通常以牛頓米(Nm)和英尺磅(ft-lbs)為單位。扭矩可用于確定電機(jī)的機(jī)械功率輸出。而機(jī)械功率可以與電功率一起用來(lái)計(jì)算總系統(tǒng)效率。

泰克開(kāi)發(fā)的帶5/6-IMDAMECH選項(xiàng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析軟件支持以下?lián)Q能器：

? 霍爾效應(yīng)傳感器

? 正交編碼器

? 旋轉(zhuǎn)變壓器

? 扭矩傳感器

對(duì)于具有固定扭矩常數(shù)的電機(jī)，該軟件還支持基于電機(jī)電流的扭矩測(cè)量。

圖34. 5/6系列MSO示波器可以連接到霍爾效應(yīng)傳感器的輸出端，以測(cè)量速度加速度和方向。

霍爾效應(yīng)傳感器用于為控制系統(tǒng)提供位置反饋。例如，霍爾效應(yīng)傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中用于監(jiān)控轉(zhuǎn)子位置以實(shí)現(xiàn)同步換向。傳感器輸出可用于計(jì)算速度、加速度和方向。此外，霍爾傳感器輸出與速度成正比的脈沖，通常三個(gè)一組使用。

IMDA軟件可以使用霍爾傳感器輸出來(lái)測(cè)量電機(jī)速度和加速度，如圖36所示。在設(shè)置測(cè)量參數(shù)時(shí)，需要指定極對(duì)數(shù)和齒輪比，以便軟件可以正確測(cè)量速度?？梢允褂肨PP1000無(wú)源探頭或高壓差分探頭，例如THDP0200或THDP0100，具體取決于電機(jī)輸出功率和噪音水平。在5系列或6系列MSO上，還可以在任意示波器通道上使用TLP58邏輯探頭來(lái)測(cè)量傳感器輸出脈沖。在其中一個(gè)FlexChannel輸入上使用邏輯探頭，即可將輸入轉(zhuǎn)換為八個(gè)邏輯通道，從而使單個(gè)通道能夠支持多個(gè)霍爾傳感器。將電機(jī)轉(zhuǎn)速與速度測(cè)量值進(jìn)行比較即可驗(yàn)證連接是否正確。

圖35. 三個(gè)霍爾傳感器提供反饋，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋確定轉(zhuǎn)子位置。此例顯示了四極對(duì)電機(jī)的六步換向。機(jī)械旋轉(zhuǎn)的開(kāi)始時(shí)間為 tst。旋轉(zhuǎn)結(jié)束時(shí)間為tsp。一次機(jī)械旋轉(zhuǎn)包含四個(gè)電循環(huán)。IMDA軟件可以利用這些信息來(lái)測(cè)量速度、方向和加速度。

機(jī)械轉(zhuǎn)速是指轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間（以秒為單位）。速度以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)表示。

其中停止時(shí)間 (t _sp ) 和開(kāi)始時(shí)間 (t _st ) 之差表示轉(zhuǎn)子的一次機(jī)械旋轉(zhuǎn)。極對(duì)數(shù)（如圖36所示）決定了每次機(jī)械旋轉(zhuǎn)由多少個(gè)電周期組成。齒輪比G可用來(lái)表示電機(jī)轉(zhuǎn)子和輸出軸之間的任何齒輪傳動(dòng)。

圖36. 為使用霍爾傳感器的系統(tǒng)配置示波器速度測(cè)量。

加速度指單位時(shí)間內(nèi)速度的變化率。

IMDA軟件根據(jù)霍爾傳感器輸出的上升沿順序或下降沿順序來(lái)確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。要測(cè)量方向，必須指定極對(duì)數(shù)。請(qǐng)看圖37所示的兩極對(duì)電機(jī)，其中A、B和C代表相距120°的三個(gè)霍爾傳感器位置。第一個(gè)轉(zhuǎn)子磁鐵的北極(N1)在0度處與霍爾傳感器A相交并輸出一個(gè)上升沿。如果配置的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針(A-B-C)，N1接下來(lái)將與霍爾傳感器B相交，與霍爾傳感器A成120度角。但N2與霍爾傳感器C僅成60度，并將首先與霍爾傳感器C相交。因此，對(duì)于兩極對(duì)電機(jī),脈沖邊沿順序?qū)锳-C-B。

IMDA軟件還將霍爾傳感器A上的第一個(gè)上升沿與120度后的下一個(gè)上升沿進(jìn)行比較，以驗(yàn)證方向。例如，如果第一個(gè)上升沿來(lái)自霍爾傳感器A，并且在120度處測(cè)量到霍爾傳感器B的上升沿，則可以確定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)順序?yàn)锳-B-C，在此示例中為順時(shí)針。如果在120度之后在霍爾傳感器C上測(cè)量到上升沿，則旋轉(zhuǎn)順序?yàn)锳-C-B或逆時(shí)針。

圖37. 要確定旋轉(zhuǎn)方向，必須知道轉(zhuǎn)子上的極對(duì)數(shù)。

圖38. 霍爾傳感器波形和測(cè)量。顯示屏底部的兩條線分別為速度和加速度的趨勢(shì)圖。

正交編碼器接口 (QEI)

正交編碼器接口(QEI)由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的開(kāi)槽盤(pán)、光源(LED)和光接收器（光電晶體管）組成。

圖39. 正交編碼器的基本工作原理。

圓盤(pán)上的槽孔數(shù)量決定了PPR（每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）。LED發(fā)出的光線穿過(guò)圓盤(pán)上的槽孔，傳輸?shù)焦怆娋w管并轉(zhuǎn)換為相位差為90°的脈沖信號(hào)。

圖40. 正交編碼器接口的脈沖模式。脈沖信號(hào)的相位差為90°，因此A相的每個(gè)周期包含四個(gè)狀態(tài)：10、11、01和00。

其中速度以RPM為單位，PPR是每機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)。Δtn是狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的差值，即在A相上出現(xiàn)一個(gè)邊沿，然后在B相上也出現(xiàn)一個(gè)邊沿。A相的每個(gè)脈沖周期有4次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此每轉(zhuǎn)有4* PPR次狀態(tài)轉(zhuǎn)換。齒輪比(G)可用于調(diào)整速度，以適應(yīng)加速(G>1)或減速(0<g<1)的情況。

編碼器的增量角（或分辨率）為：

IMDA軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)數(shù)，然后乘以增量角度，從而計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度。

旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種安裝在電機(jī)上的傳感器，用于確定轉(zhuǎn)子的角度。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，因此廣泛應(yīng)用于高溫、振動(dòng)等惡劣條件。旋轉(zhuǎn)變壓器由以下部分構(gòu)成：

? 由高頻正弦輸入驅(qū)動(dòng)的勵(lì)磁繞組

? 兩個(gè)固定正交輸出繞組

圖41：旋轉(zhuǎn)變壓器系統(tǒng)框圖，其中轉(zhuǎn)子中有一個(gè)勵(lì)磁繞組，并且兩個(gè)固定輸出繞組呈正交。

圖41 為旋轉(zhuǎn)變壓器及其輸出信號(hào)的框圖。旋轉(zhuǎn)變壓器由一個(gè)稱為定子的固定部分和一個(gè)稱為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)部分組成，轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)軸上。

定子的初級(jí)繞組連接到高頻正弦信號(hào)。該勵(lì)磁信號(hào)通過(guò)變壓器作用耦合至轉(zhuǎn)子上的繞組。該轉(zhuǎn)子信號(hào)是 圖 42 所示的參考信號(hào)。

兩個(gè)次級(jí)定子繞組提供輸出信號(hào)。正弦繞組和余弦繞組呈90度角安裝。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的交變磁場(chǎng)會(huì)在正弦和余弦繞組中感應(yīng)出調(diào)幅電壓。任何給定時(shí)間的信號(hào)幅度取決于轉(zhuǎn)子的角度。因此，正弦和余弦電壓的相對(duì)幅度可用于確定轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)角度。

圖42. 旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦、余弦和參考信號(hào)用于實(shí)時(shí)確定電機(jī)的轉(zhuǎn)子角度。

使用旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行機(jī)械測(cè)量需要三種模擬輸入波形：正弦波、余弦波和參考波。參考信號(hào)是勵(lì)磁信號(hào)，而正弦和余弦信號(hào)是輸出繞組信號(hào)。正弦信號(hào)和余弦信號(hào)由參考信號(hào)調(diào)制。正弦和余弦包絡(luò)必須提取才能用于測(cè)量。正如預(yù)期的那樣，這兩個(gè)包絡(luò)之間的相位差為90度。

在任何給定時(shí)間點(diǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的確定公式為：

電機(jī)角度 = Arctan(A _SIN /A _COS )

其中A _SIN 和A _COS 分別是正弦和余弦包絡(luò)的瞬時(shí)電壓。

電機(jī)速度通過(guò)測(cè)量正弦包絡(luò)信號(hào)的頻率來(lái)確定。例如，如果有兩個(gè)極對(duì)，則包絡(luò)的兩個(gè)周期代表一次旋轉(zhuǎn)。

速度 = 頻率（包絡(luò)信號(hào)）/ 極對(duì)數(shù)

圖43. 使用旋轉(zhuǎn)變壓器傳感器信號(hào)進(jìn)行機(jī)械測(cè)量。

扭矩測(cè)量

電機(jī)扭矩是電機(jī)在其輸出軸上產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，以牛頓米(Nm)、英尺磅(ft-lbs)、盎司力英寸(ozf)、英寸磅力(inch-lb)等為單位進(jìn)行測(cè)量。5/6系列MSO上的IMDA軟件支持兩種扭矩測(cè)量方法。

傳感器法

這是最常見(jiàn)的扭矩測(cè)量方法，使用扭矩傳感器或測(cè)力傳感器輸出，如 圖44 所示。通過(guò)將旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器與電機(jī)軸耦合，可以測(cè)量電機(jī)產(chǎn)生的扭矩?？梢允褂脽o(wú)源電壓探頭捕獲扭矩波形，電壓波形將與測(cè)得的扭矩值成正比。

圖44. 用于使用IMDA軟件測(cè)量扭矩傳感器輸出的示波器連接

必須配置扭矩傳感器的高值和低值以及探頭輸出電壓的相應(yīng)高值和低值。測(cè)量將把采集的電壓波形轉(zhuǎn)換為扭矩值。

測(cè)力傳感器將測(cè)量力。在這種情況下，扭矩的計(jì)算方法是將力與力臂長(zhǎng)度（距離）相乘，從而將測(cè)得的力轉(zhuǎn)換為扭矩。

電流法

對(duì)于具有指定扭矩常數(shù)的電機(jī)，可以根據(jù)RMS電流推算出扭矩。這種方法提供的是扭矩估值。 圖45 顯示了使用“電流法”進(jìn)行扭矩測(cè)量的連接設(shè)置。

圖45. 對(duì)于具有指定扭矩常數(shù)的電機(jī)，可以使用電流來(lái)估算扭矩。

在這種情況下，電機(jī)產(chǎn)生的扭矩與單相或三相RMS電流成正比。比例因數(shù)用電機(jī)扭矩常數(shù)表示。

扭矩 = 扭矩常數(shù) * IRMS

機(jī)械功率

電機(jī)輸出產(chǎn)生的機(jī)械功率是用測(cè)得的速度乘以扭矩值計(jì)算得出的。乘數(shù)是一個(gè)用于計(jì)算機(jī)械功率（單位為瓦特）的常數(shù)。速度單位為RPM。常數(shù)值取決于扭矩測(cè)量所使用的單位：如果是牛頓米，常數(shù)值則為 104.7252；如果是盎司英寸，則為0.739522；如果是英尺磅，則為141.9883；如果單位是英寸磅，則為11.83235897。

機(jī)械功率 = （扭矩 * 乘數(shù)） * 速度

系統(tǒng)效率

系統(tǒng)效率是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總效率，也被稱為機(jī)電效率。系統(tǒng)效率表示有多少電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。系統(tǒng)效率是電機(jī)的機(jī)械功率與用于為驅(qū)動(dòng)器供電的三相電功率的比值。

系統(tǒng)效率 = 機(jī)械功率 / 電功率

圖46. 可以對(duì)逆變器（電氣效率）、電機(jī)效率以及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行效率測(cè)量。

動(dòng)態(tài)測(cè)量

電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析的一個(gè)常見(jiàn)要求是，能夠?qū)﹄姍C(jī)隨時(shí)間而變的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)控被測(cè)設(shè)備在加速和不同負(fù)載條件下的行為。這些動(dòng)態(tài)測(cè)量將幫助您了解不同條件下電壓、電流、功率和頻率等參數(shù)之間的相互影響。IMDA軟件的電能質(zhì)量測(cè)量組提供了兩種類型的趨勢(shì)圖用于此分析：

? 時(shí)間趨勢(shì)圖

? 采集趨勢(shì)圖

兩種趨勢(shì)圖各有其優(yōu)點(diǎn)，可用于呈現(xiàn)電能質(zhì)量測(cè)量組內(nèi)支持的子測(cè)量。這些趨勢(shì)圖可以保存為CSV文件以供后期處理。

時(shí)間趨勢(shì)圖

時(shí)間趨勢(shì)圖顯示單次采集中每個(gè)波形周期的測(cè)量值。這種趨勢(shì)圖適用于觀察測(cè)量值在短時(shí)間內(nèi)的具體變化，以及將這些變化與其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

圖47. IMDA軟件中的時(shí)間趨勢(shì)圖用于記錄單次采集過(guò)程中測(cè)量值的變化。

采集趨勢(shì)圖

采集趨勢(shì)圖記錄每次采集的單次平均測(cè)量值，因此適用于長(zhǎng)期分析。在測(cè)試配置期間，可以通過(guò)設(shè)置采集參數(shù)來(lái)指定測(cè)試持續(xù)時(shí)間。這些趨勢(shì)圖可以保存為CSV文件以供后期處理。如果將繪圖數(shù)據(jù)保存為CSV文件，時(shí)間值即可用。

動(dòng)態(tài)負(fù)載控制對(duì)于三相感應(yīng)電機(jī)和其他電機(jī)也很重要。通過(guò)采集趨勢(shì)圖可以查看加速、恒速和減速過(guò)程中的測(cè)量值。

圖48. 采集趨勢(shì)圖記錄多次采集過(guò)程中測(cè)量值的變化。在上圖中以綠色線條表示。請(qǐng)注意，該圖還會(huì)顯示最近一次采集的波形和測(cè)量值。

總結(jié)

對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)量面臨著諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行連接，波形非常復(fù)雜且數(shù)學(xué)運(yùn)算量巨大。泰克5/6系列MSO示波器的IMDA軟件大幅簡(jiǎn)化了這些測(cè)量，為功率分析儀測(cè)量提供了高速采樣系統(tǒng)和實(shí)時(shí)示波器可視化的優(yōu)勢(shì)。

利用示波器，三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員可以在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作條件下進(jìn)行分析，查看電氣和機(jī)械參數(shù)，從而詳細(xì)了解驅(qū)動(dòng)器性能。5系列和6系列MSO的采樣和處理能力支持DQ0測(cè)量等功能，讓用戶能夠深入了解控制系統(tǒng)的內(nèi)部情況。而功率分析儀目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些功能。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的介紹，讀者可以全面了解 如何使用示波器對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行深入的電氣和機(jī)械測(cè)量，并分析測(cè)量結(jié)果以優(yōu)化系統(tǒng)性能 。希望這兩篇文章能幫助您更好地掌握電機(jī)驅(qū)動(dòng)器測(cè)量的核心技術(shù)，提升工作效率。