大多數現代電機驅動系統使用某種調制形式來控制電機頻率，從而控制電機速度。在大多數情況下，此類變頻驅動器 (VFD) 通過輸出精心控制的脈沖寬度調制 (PWM)波形來實現這一點。此類系統通常以三相形式輸出功率，因為三相是電機的最佳配置。

自電氣工程誕生以來，三相交流感應電機(ACIM) 一直是工業領域的主力。它們可靠、高效、成本低且幾乎不需要維護。但電機和驅動器有多種不同類型。交流感應電機(ACIM) 的效率低于無刷直流電機 (BLDC) 和永磁同步電機 (PMSM)。與交流感應電機相比，同步無刷直流電機和永磁同步電機效率更高，重量也更輕，但需要更先進的控制算法。

盡管每種類型的電機驅動系統有其特性，但電機驅動器都使用脈沖寬度調制技術來改變輸送到電機的頻率和電壓。

圖1. 電機驅動器通過調節電機輸入來控制電機速度和扭矩

電機驅動器進行測量的挑戰

由于電機驅動器輸出采用脈沖寬度調制技術，因此，要對這種信號進行穩定的測量具有挑戰性。要想實現穩定的波形，通過人工確定濾波器和觸發器的正確組合非常棘手，但對于實現一致測量卻是必要的。

除了測量驅動器的輸出之外，對驅動器的輸入級性能（例如諧波、功率和功率因數）進行測量和評估也很重要。雖然可以將原始波形導出到電子表格或其他分析軟件中，但該過程非常耗時，并且設計算法時要特別注意。

進行這些測量需要與被測設備建立許多連接。錯誤的探頭連接和連接點完整性差是導致電機驅動器測量誤差的常見原因。

機械測量也很關鍵，可以使用傳感器進行。然而，如果不進行自定義處理和轉換，要想獲取以工程單位表示的速度、加速度或扭矩的測量值可能非常困難，甚至是不可能。

由于這些原因，要想使用示波器對電機驅動系統進行良好的測量，需要仔細的設置、穩定的波形和強大的測量算法。

PWM電機驅動器的工作原理

多種類型的電機采用脈沖寬度調制 (PWM) 形式驅動，包括有刷直流電機、交流感應電機、無刷直流電機和永磁同步電機。PWM使驅動器能夠改變輸送到電機的頻率和電壓。

盡管很多年前人們就已經掌握PWM驅動器的工作原理，但卻是功率半導體、控制電子組件和微處理器的改進和成本的降低才推動了此類驅動器的廣泛使用。矢量控制技術進一步推動了這一趨勢。通過矢量控制，設計者能夠在交流電機的高可靠性基礎上，實現直流電機的高效率和精確可控性。無刷直流電機和永磁同步電機正在廣泛應用領域取代有刷直流電機和交流感應電機，這些領域不僅包括工業應用，還包括電動工具、家用電器和電動汽車。

圖2顯示了三相變頻驅動器基本元件的框圖。

圖2. 三相電機驅動器功能模塊圖

PWM驅動器可以由直流電、單相交流電或三相交流電供電。圖2顯示了一臺由三相電源供電的變頻驅動器，三相電源常用于工業設備。三相電源經過整流和濾波產生直流母線，為驅動器的逆變器部分供電。逆變器由三對半導體開關（MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT等）及其相關二極管組成。每對開關分別為電機的一相提供電源輸出。這種基本架構可以適用于多種類型的電機，但控制電子組件在反饋和復雜性方面差異很大。這里簡單介紹幾種常見的用于驅動電機的PWM形式。

六步換相 / 梯形波控制驅動器

這種類型的驅動器與無刷直流電機結合使用。無刷直流電機效率高且體積小。它具有直流電機的優點，但沒有電刷，不易磨損。無刷直流電機可以通過相對簡單的六步換相（或梯形波控制）PWM策略來實現電子換向。下圖顯示了一組典型的PWM波形。

圖3. 霍爾傳感器向簡單的六步控制器提供反饋。驅動器U、V和W輸出信號應用于電機定子

標量控制驅動器

簡單的變頻驅動器驅動交流感應電機，通過改變驅動電機的PWM波形的基頻來控制電機速度。為了保持全扭矩，驅動器中的控制系統會保持PWM波形的電壓 / 基頻比率。這類驅動器被稱為標量控制驅動器。

控制電子組件產生三個相位差為120°的低頻正弦波，用于調節每對開關的脈沖寬度。

圖4. A相和B相之間的脈沖寬度調制波形的平均線電壓是正弦波

電機繞組的平均電壓近似正弦波。電機繞組的另外兩相具有相似的平均電壓，相差120°。

圖5. 隨時間變化的三相電壓信號

從逆變器輸出電壓的角度來看，電機在很大程度上類似于一個電感器。由于電感器對較高頻率具有較高阻抗，因此電機所吸收的大部分電流來自于PWM波形輸出中的較低頻率分量。因此，電機所吸收的電流形狀近似正弦波。

圖 6. 由于電機是感性負載，且能阻抗快速電流變化，因此電機所吸收的電流近似正弦波

通過控制調制波形的幅度和頻率，以及控制電壓和頻率比，PWM驅動器可以提供三相電源，以驅動電機達到所要求的速度。

矢量控制驅動器 / 磁場定向控制

交流感應電機和同步電機的驅動器更先進，采用矢量驅動技術。此類驅動器比標量控制驅動器更靈活、更高效，但也更復雜。

矢量控制驅動器與標量控制驅動器的相似之處在于它們都使用正弦電流驅動電機，但是矢量控制驅動器的運行更平穩，加速更快，扭矩控制也更好。此類控制系統通常使用磁場定向控制 (FOC)，并且比標量控制驅動器復雜得多。

矢量D和矢量Q是正交矢量，其大小與電機的扭矩和磁通量有關。

圖7. 矢量控制 / 磁場定向控制使用復雜的PWM波形

控制系統必須測量轉子的位置以使系統同步。這通常通過使用霍爾傳感器或正交編碼器接口 (QEI) 等傳感器來實現（還會使用無傳感器系統，其中控制系統使用電機的反電動勢來確定轉子位置）。控制器使用Clarke變換和Park變換來計算矢量D和矢量Q的幅值，然后使用這些值作為控制回路的設定點。

圖8. 矢量控制系統框圖

變頻驅動器系統的連接

示波器探頭的選擇

對變頻驅動系統進行功率測量需要使用電壓和電流探頭。選擇示波器電壓探頭進行電機驅動器測量時，一定要考慮以下幾點：

• 電機驅動器測量涉及相對較高的電壓。例如，480V 三相電機驅動器中的直流母線電壓通常約為680V。切記確認探頭的額定電壓以及用于連接探頭的配件的額定電壓。

• 共模電壓也可能相對較高。也就是說，測量結果通常相對于地面是“浮動"的，因此不能使用接地參考的探頭。務必確保信號浮動不超過探頭的共模電壓額定值。

• 大多數相關頻率低于200MHz，因此具有此帶寬的探頭足以滿足大多數日常測量需求。

• 探頭應能用于廣泛的測量任務。

出于這些原因，通常建議使用高壓差分探頭作為功率電子逆變器子系統、驅動器輸入/輸出和控制系統測量的通用電壓探頭。

圖9. 泰克差分探頭（例如THDP0200）和泰克AC/DC電流探頭（例如TCP0030A）為許多變頻驅動器測量場景提供了良好的覆蓋范圍。

注：接地參考無源探頭不應用于測量相電壓。中性端子可能不在接地電位，從而導致大量電流流過探頭和示波器接地。這很危險，可能會導致被測設備或示波器受到沖擊或損壞。

圖10.  IsoVu光學隔離電壓探頭提供很高的共模抑制比，能夠承受最大2500V的差分電壓，并且具有高達1GHz的帶寬。

以下為一些建議用于電機驅動應用的探頭：

示波器探頭設置

在進行任何功率測量之前，必須完成一些重要步驟。電流探頭必須消磁，并且所有探頭都應校正，以獲得準確的測量結果。

在進行測量之前對電流探頭執行消磁程序，消除探頭磁芯中的任何剩磁，這一步非常重要。剩磁會導致測量誤差。消磁程序通常是通過移除電流探頭鉗口的所有導體，然后按下消磁按鈕啟動的。泰克電流探頭（例如TCP0030A）會在您使用前自動提示您執行消磁程序。

校正過程可以校正任意兩個不同示波器通道（包括探頭和探頭電纜）之間的各種傳輸延遲。這一步很重要，因為相位關系對于變頻驅動器系統上的許多測量至關重要。基本步驟是向通道提供同步信號，并調整每個通道的延遲，使各通道的信號對齊。泰克公司提供功率測量校正夾具 (P/N 067-1686-xx) 來幫助解決此問題。

連接電流探頭時，務必注意探頭上的箭頭標記。如果電流探頭連接在負載的線路側，箭頭應指向負載。如果電流探頭連接在負載的返回側，則箭頭應指向遠離負載的方向。