脉宽调制电机驱动正在成为变速电机控制的主要方法，不仅用于工业，还用于电动汽车和家用空调等多种应用。PWM驱动器会在电机输出和驱动器电源中产生复杂的波形。本文首先介绍控制PWM电机驱动器的基本要素及电气特性，然后详细介绍用于正确分析的电气测量。

　　交流电机的速度控制需要一个可以改变电压和频率的三相电源。这种电源在定子中产生一个变速旋转场，允许转子以所需的速度以低滑差旋转。这种交流电机驱动器或PWM可以有效地提供从零速到全速的全扭矩，必要时可以超速，并且可以通过改变相位旋转轻松提供电机的双向运行。

　　尽管PWM驱动器的原理并不新鲜，但功率半导体、控制电子设备和微处理器的进步使它们越来越受欢迎。除此之外，还有矢量控制方法，使交流驱动器具有全直流电机驱动器的能力和灵活性。

　　PWM电机驱动的基本要素:

　　三相电源经过整流和滤波以产生直流母线，为驱动器的逆变器部分供电。逆变器由三对半导体开关（MOSFET、GTO、功率晶体管、IGBT等）和相关二极管组成。每对开关为电机的一个相提供功率输出。每对半导体开关由控制电子设备驱动，以在每个相位输出处生成高频方波载波脉冲波形。

　　由于所有三相上的载波都相同，因此仅由于载波而出现在电机绕组任何相上的净电压为零。为了驱动电机，控制电子设备会产生三个相距120度的低频正弦波，它将载波脉冲调制到每对开关。每个载波周期内正负脉冲的宽度根据该相位的低频正弦波形的幅度进行调制。结果，呈现给电机绕组的平均电压近似为正弦曲线。电机绕组的另外两相具有相距120度的相似平均电压。

　　大多数PWM驱动器以固定的载波频率运行，该频率是要使用的最高输出频率的数倍。由于工业驱动器以几赫兹到约100 Hz的输出频率运行，因此它们使用的载波频率范围为2 kHz到约10 kHz。随着功率半导体的改进，趋势是将载波频率提高到超声波频率(>18 kHz)，这可以降低电机中的损耗，因为电流更加正弦。不利的一面是逆变器中更高的开关损耗和更多辐射频率噪声的可能性。因此，必须对驱动器输入和输出进行仔细测量，以便为给定应用选择最佳载波频率。

　　尽管PWM输出电压包含大量除基波以外的频率分量，但这些分量通常具有较高的频率，并被电机绕组的电感抑制。然而，电机不仅仅是一个电感器，因此重要的是载波频率的调制设计为产生尽可能正弦的电流。特别是，必须注意尽量减少低次谐波电压，因为电机对这些电压的阻抗很低。

　　实际上，驱动器会在基频产生“有用”的电流分量，并在基频的倍数或分量的频率上产生“不需要”的电流分量。电机电流中的“不需要的”成分会导致诸如额外热量、电机效率降低和功率输出降低等问题。

　　这些不需要的组件对电机运行的影响可以通过测量逆变器的基波和总输出功率、电压和电流波形的谐波分析以及电机的扭矩/速度测量来表示。最高效的PWM驱动器不仅可以最大限度地减少转换器中的损耗，还可以生成最纯净的电流波形以最大限度地减少功率和扭矩损失。

　　电机输出测量

　　通过在电机的输出轴上安装速度和扭矩传感器来计算输出功率，可以进行电机输出测量。为了确定电机和驱动器组合的效率，设计人员必须同时考虑系统的电气输入和电机输出产生的机械功率。

　　系统效率计算公式为：

　　通过测量驱动器输入消耗的电能以及电机输出的扭矩和速度，可以测量系统的效率。进行这种测量的最简单方法是使用功率分析仪，其中包括设计用于连接扭矩和速度传感器的传感器输入。

　　驱动输出:

　　如前所述，PWM驱动器的输出波形非常复杂，由载波引起的高频分量和基波电流引起的低频分量的混合组成。这给某些功率分析仪带来了问题，它们可以在高频下测量，在这种情况下波形中的低频信息丢失，或者它们可以过滤PWM波形以在低频下测量，在这种情况下高频数据丢失。出现困难是因为波形是在低频调制的。因此，高频测量，例如总均方根电压或总功率，必须在高频下进行，但必须在输出波形中低频分量的整数个周期内进行。

　　最新的功率分析仪通过使用特殊的工作模式进行PWM输出测量来克服这个问题。数据以高速采样，实时计算总量，包括所有谐波和载波分量。同时，对采样数据进行数字滤波，以提供低频测量，例如基频和输出频率测量。除了从同一测量中提供低频和高频结果外，该技术还允许高频测量与低频信号同步，从而提供既准确又稳定的高频测量结果。

　　为了执行驱动器输出测量，功率分析仪以三相三线配置连接到输出。对于高达30 A rms输出电流的PWM驱动器，功率分析仪可以直接连接到驱动器输出端。对于高于此水平的电流，可能需要外部分流器或电流传感器。

　　连接和配置分析仪后，还要确保指定了正确的滤波器频率范围。请注意，Vrms、Arms和Watts数字是根据预滤波值测量的，因此包括所有高频分量，而基本值仅考虑对电机工作的贡献。rms和基波电压之间存在显着差异是正常的。通常，电流和瓦特之间的差异较小，因为感应电机会过滤电流。

　　高频损耗可以通过在SUM通道上读取的总瓦特数和基波瓦数之间的差异来估计。这表示由PWM驱动器提供的电功率，它对机械输出功率没有贡献，因此会增加电机的热量。

　　高频损耗=总瓦数-基波瓦数

　　在比较PWM驱动器时，这是一种有用的测量方法。