PWM占空比趨勢(shì)測(cè)量可快速分析電機(jī)運(yùn)行異常

對(duì)于電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，占空比是直接影響控制精度的關(guān)鍵參數(shù)，而如何快速分析出占空比變化的趨勢(shì)正是問(wèn)題的核心。

1 PWM占空比概述

脈沖寬度調(diào)制(PWM)是一種對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。而占空比就是高電平持續(xù)時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值，占空比越大，高電平持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，模擬電路開(kāi)通的時(shí)間就越長(zhǎng)，如圖1所示。

圖1 占空比含義

2 什么是占空比趨勢(shì)測(cè)量?

要測(cè)量占空比趨勢(shì)首先要測(cè)量占空比，占空比測(cè)量方法是使用超高速ADC采樣PWM波形，然后通過(guò)可編程邏輯器件FPGA測(cè)量高電平脈寬t和周期T計(jì)算出占空比。占空比趨勢(shì)測(cè)量則是對(duì)每一個(gè)PWM波的占空比測(cè)量并存儲(chǔ)下來(lái)，最后顯示在屏幕上，如圖2所示。一個(gè)PWM波對(duì)應(yīng)一個(gè)占空比值，顯示在屏幕上并且連線，這樣就可以很直觀的看到所有PWM波形的占空比變化趨勢(shì)。

圖2 占空比趨勢(shì)測(cè)量

示波器的存儲(chǔ)深度對(duì)占空比趨勢(shì)測(cè)量影響很大，所謂趨勢(shì)趨勢(shì)，即是長(zhǎng)時(shí)間的變化動(dòng)向，如果存儲(chǔ)深度小，那么所記錄的時(shí)間就很短，采樣的波形也就很少，對(duì)于分析趨勢(shì)就沒(méi)有意義。致遠(yuǎn)電子ZDS4000系列示波器存儲(chǔ)深度高達(dá)512Mpts，可以在高采樣率下存儲(chǔ)數(shù)十秒的波形，非常適合分析信號(hào)變化趨勢(shì)。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

某使用PWM波形驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)在加速過(guò)程中存在微小抖動(dòng)情況，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖3所示，開(kāi)始加速后大約在3.6秒轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一個(gè)下拉動(dòng)作。電機(jī)PWM調(diào)速原理是通過(guò)改變接通脈沖的寬度，使直流電機(jī)電樞上電壓的占空比改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此基本可以確定這個(gè)轉(zhuǎn)速下拉動(dòng)作是由于PWM波占空比出現(xiàn)異常引起的。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速異常

為了確定具體的問(wèn)題，使用ZDS4000系列示波器采樣電機(jī)啟動(dòng)后的PWM波形，設(shè)置為單次上升沿觸發(fā)，采樣時(shí)間大概為7秒，波形如圖4所示，由于采樣的時(shí)間長(zhǎng)，波形多，完全是密密麻麻，什么細(xì)節(jié)都看不到，開(kāi)啟測(cè)量和統(tǒng)計(jì)功能，可以看到信號(hào)周期、頻率、占空比Current、Max、Min和相關(guān)計(jì)算值，但是還是找不到異常的占空比波形。

圖4 PWM波形和測(cè)量

這個(gè)時(shí)候使用ZDS4000系列示波器最新開(kāi)發(fā)獨(dú)特的占空比趨勢(shì)測(cè)量功能，將每一個(gè)PWM波的占空比顯示在屏幕上。點(diǎn)擊示波器數(shù)學(xué)運(yùn)算Math按鍵，模式選擇趨勢(shì)圖，類型選擇占空比，ZDS4000系列示波器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)PWM波的周期和閾值，無(wú)需過(guò)多設(shè)置，就可以快速出波形，波形如圖5所示。屏幕上除了通道1，還多了MATH通道，顏色為紫色，MATH通道顯示的即是占空比趨勢(shì)，可以看到占空比緩慢遞增后大約在屏幕中間位置出現(xiàn)了異常。和通道1一樣，MATH通道也可以調(diào)節(jié)垂直檔位和偏移。

圖5 占空比趨勢(shì)波形

定位到占空比異常位置后，開(kāi)啟示波器縮放模式下ZOOM多窗口顯示功能，對(duì)信號(hào)進(jìn)行局部放大，如圖6所示，可以清晰的看到占空比異常的細(xì)節(jié)，同時(shí)開(kāi)啟對(duì)ZOOM1窗口數(shù)據(jù)的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，可以看到占空比從正常的59.62%變?yōu)?.99%左右。

圖6 ZOOM模式放大

總結(jié)

實(shí)際上ZDS4000系列示波器不僅僅可以分析占空比趨勢(shì)，還可以分析周期和頻率變化趨勢(shì)。