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[导读]对于电机控制来说,占空比是直接影响控制精度的关键参数,而如何快速分析出占空比变化的趋势正是问题的核心。1 PWM占空比概述脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波

对于电机控制来说,占空比是直接影响控制精度的关键参数,而如何快速分析出占空比变化的趋势正是问题的核心。

1 PWM占空比概述

脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号进行编码。PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。电压或电流是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。而占空比就是高电平持续时间与整个周期时间的比值,占空比越大,高电平持续的时间越长,模拟电路开通的时间就越长,如图1所示。

 

图1 占空比含义

2 什么是占空比趋势测量?

要测量占空比趋势首先要测量占空比,占空比测量方法是使用超高速ADC采样PWM波形,然后通过可编程逻辑器件FPGA测量高电平脉宽t和周期T计算出占空比。占空比趋势测量则是对每一个PWM波的占空比测量并存储下来,最后显示在屏幕上,如图2所示。一个PWM波对应一个占空比值,显示在屏幕上并且连线,这样就可以很直观的看到所有PWM波形的占空比变化趋势。

 

图2 占空比趋势测量

示波器的存储深度对占空比趋势测量影响很大,所谓趋势趋势,即是长时间的变化动向,如果存储深度小,那么所记录的时间就很短,采样的波形也就很少,对于分析趋势就没有意义。致远电子ZDS4000系列示波器存储深度高达512Mpts,可以在高采样率下存储数十秒的波形,非常适合分析信号变化趋势。

3 实例应用与分析

某使用PWM波形驱动的直流电机在加速过程中存在微小抖动情况,观察电机转速波形如图3所示,开始加速后大约在3.6秒转速出现一个下拉动作。电机PWM调速原理是通过改变接通脉冲的宽度,使直流电机电枢上电压的占空比改变,从而改变电枢电压的平均值,控制电机的转速。因此基本可以确定这个转速下拉动作是由于PWM波占空比出现异常引起的。

 

图3 电机转速异常

为了确定具体的问题,使用ZDS4000系列示波器采样电机启动后的PWM波形,设置为单次上升沿触发,采样时间大概为7秒,波形如图4所示,由于采样的时间长,波形多,完全是密密麻麻,什么细节都看不到,开启测量和统计功能,可以看到信号周期、频率、占空比Current、Max、Min和相关计算值,但是还是找不到异常的占空比波形。

 

图4 PWM波形和测量

这个时候使用ZDS4000系列示波器最新开发独特的占空比趋势测量功能,将每一个PWM波的占空比显示在屏幕上。点击示波器数学运算Math按键,模式选择趋势图,类型选择占空比,ZDS4000系列示波器会自动检测PWM波的周期和阈值,无需过多设置,就可以快速出波形,波形如图5所示。屏幕上除了通道1,还多了MATH通道,颜色为紫色,MATH通道显示的即是占空比趋势,可以看到占空比缓慢递增后大约在屏幕中间位置出现了异常。和通道1一样,MATH通道也可以调节垂直档位和偏移。

 

图5 占空比趋势波形

定位到占空比异常位置后,开启示波器缩放模式下ZOOM多窗口显示功能,对信号进行局部放大,如图6所示,可以清晰的看到占空比异常的细节,同时开启对ZOOM1窗口数据的测量和统计,可以看到占空比从正常的59.62%变为9.99%左右。

 

图6 ZOOM模式放大

总结

实际上ZDS4000系列示波器不仅仅可以分析占空比趋势,还可以分析周期和频率变化趋势。

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