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力科MDA8000HD电机分析仪测试电机的转速角度和位置-云帆兴烨

发表日期：2020/05/26 浏览次数：
引论

采用复杂控制系统（例如矢量场定向控制或FOC）的电机驱动器通常使用旋转变压器接口来向控制系统提供信号以计算电机转速、角度和绝对位置，控制系统需要此信息来正确计算所需的驱动输出信号，电机驱动分析仪（例如MDA8000HD）可以直接从旋转变压器接口计算速度，角度和位置并将其显示为波形，旋转变压器接口使调试和验证驱动器和控制系统更加容易。
简介
在下面的示例中，我们将展示如何使用Teledyne LeCroy MDA8000HD电机驱动分析仪和旋转变压器正弦，余弦和励磁频率信号，计算电机转速、角度和绝对位置，最常见的是，这些信号与驱动输出电压和电流信号以及其他控制系统信号一起被采集，用于行为互相关性分析和异常事件调试。
旋转变压器工作原理

旋转变压器输出两路相差90度的模拟正弦波信号（正弦和余弦信号），以传达机械旋转和方向信息，简单地说，旋转变压器是具有一个初级绕组和两个次级绕组的旋转变压器，如图1所示：

旋转变压器结构

基本的单速旋转变压器有两极绕组（一对磁极），励磁信号通过R1和R3输入（如上图所示），而输出信号出现在S1和S3，以及S2和S4，对于单速两极绕组（一对磁极）旋转变压器，这些输出信号如图2所示：

 正弦/余弦极对旋转变压器信号

对于具有两极绕组的基本旋转变压器，一个正弦/余弦对等于一转，两个信号的相对角度确定绝对转子轴角度，为了在较低的转速下具有较高的精度，可以使用具有两个或多个正弦/余弦对的旋转变压器。

使用MDA8000HD计算角度、转速和位置

MDA8000HD电机驱动分析仪简化了这些值的计算，并将其显示为与其他驱动器输出功率信号或控制系统事件相关的时变波形，MDA8000HD高精度输入通道采用12位ADC，MDA8000HD分析软件处理旋转变压器接口信号并计算所需的数值，在电机驱动分析仪软件使用手册中可以查找详细的公式定义（参见http://cdn.teledynelecroy.com/files/manuals/motor-drive-analyzer-software-operators-manual.pdf），计算如下：

  • MDA8000HD从励磁频率信号幅度峰值处的sin / cos信号比率的反正切计算瞬时角度，角度计算考虑转子-磁极的数量，所得角度值的范围从-π/ 2到π/ 2

  • 将瞬时角度值转换为0到2π（或0到360°）

  • 计算单个励磁频率（周期）上的角度作为瞬时角度值的平均值

  • 根据两个角度计算之间的时间差和他们转换时间差异计算瞬时转速，同时考虑存在的齿轮比

  • 从瞬时速度值的平均值得出单个励磁（周期）的速度


MDA8000HD的计算设置
图3显示了捕获的旋转变压器正弦（M1黄色波形）、余弦（M2红色波形）和励磁频率信号（M3蓝色波形）信号以及MDA机械参数设置对话框，它使用了相对较低的采样率250 kS / s和1.25 Mpts / Ch存储深度，也可以使用MDA8000HD最大5Gpts / Ch存储深度，在采样速率高达10 GS / s（为高速功率信号或相关控制事件信号）下，进行更长时间的采集


在MDA8000HD中旋转变压器信号的采集和机械参数设置

注意，MDA机械设置对话框还允许校正从分解器的机械位置到转子磁场的角度值，这样做允许直接显示角度为电气转子磁场角度值，而不是机械分解器/轴角度，偏移角设置便于进行这样的校正（虽然在本示例中没有展示），选择分解器方法后，分配M1，M2和M3，并适当选择速度和角度单位和同步信号，然后，如图4所示，进行以下步骤：

  • 显示速度和角度计算的MDA数值表，表格显示了整个采集过程中这些测量值的平均值，可以在MDA的数值对话框中打开

  •  显示速度值（橙色，从底部开始第二个）和角度值（深粉色，底部）的每周期波形，这些波形显示了速度值和角度值随时间的变化，并与原始采集信号在时间上相关，通过简单地触摸数值表中的相应单元格就可以显示这些波形

  • 显示速度和角度计算的MDA统计表，下表显示了完整采集（40,000）中的速度值和角度值的最小值，最大值，平均值，标准偏差等，并且在显示每周期波形时自动打开

  •  显示速度波形的600点Boxcar平均值的数学轨迹（F8，绿色，覆盖在速度波形上）启用水平（时间）光标，在相应的描述符框中显示速度和角度值的瞬时值

总结
现代的电机驱动控制系统通常使用旋转变压器或其它复杂的速度、方向和位置传感器，例如正交编码器接口（QEI）或无刷直流（BLDC）霍尔传感器，传统的功率分析仪器仅受限于仅支持最基本的模拟和数字转速计接口，例如存在于验证测试单元中的功率表上的那些信号，相比之下，Teledyne LeCroy电机驱动分析仪支持工程设计中常用的速度、方向和位置传感器接口，可直接计算速度和角度信息，包括对电（转子磁场）角度值进行校正，因此，开发工程师可以更有效地调试和验证控制系统的运行，而不需要在电动机和驱动器上安装功率表，这在系统级是不可能的。
MDA8000HD电机驱动分析仪具有8个模拟通道，12位垂直分辨率，高达5 Gpts的存储深度，10 GS/s采样率和高达2 GHz的带宽，使用新的OscilloSYNCTM技术，两台MDA 8000HD可组成一个16通道分析仪，可用通道数量是以前的两倍，并配备15.6英寸大显示屏，MDA8000HD可执行全面的静态和动态3相电气和机械功率分析，覆盖整个电机驱动系统的完整测试。

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