PWM占空比趨勢測量可快速分析電機運行異常

對于電機控制來說，占空比是一項直接影響控制精度的關鍵參數，而如何快速分析出占空比變化的趨勢，正是分析這一問題的核心。只要有了占空比變化趨勢曲線，電機異常運行的原因自然就浮出水面。

1、PWM占空比概述
脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。而占空比就是高電平持續時間與整個周期時間的比值，占空比越大，高電平持續的時間越長，模擬電路開通的時間就越長，如圖1所示。

圖1 占空比含義

2、什么是占空比趨勢測量？
要測量占空比趨勢首先要測量占空比，占空比測量方法是使用超高速ADC采樣PWM波形，然后通過可編程邏輯器件FPGA測量高電平脈寬t和周期T計算出占空比。占空比趨勢測量則是對每一個PWM波的占空比測量并存儲下來，最后顯示在屏幕上，如圖2所示。一個PWM波對應一個占空比值，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。

圖2 占空比趨勢測量

示波器的存儲深度對占空比趨勢測量影響很大，所謂趨勢趨勢，即是長時間的變化動向，如果存儲深度小，那么所記錄的時間就很短，采樣的波形也就很少，對于分析趨勢就沒有意義。目前ZDS4000系列示波器存儲深度高達512Mpts，可以在高采樣率下存儲數十秒的波形，比較適合分析信號變化趨勢。

3、實例應用與分析
某使用PWM波形驅動的直流電機在加速過程中存在微小抖動情況，觀察電機轉速波形如圖3所示，開始加速后大約在3.6秒轉速出現一個下拉動作。電機PWM調速原理是通過改變接通脈沖的寬度，使直流電機電樞上電壓的占空比改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉速。因此基本可以確定這個轉速下拉動作是由于PWM波占空比出現異常引起的。

圖3 電機轉速異常

為了確定具體的問題，使用ZDS4000系列示波器采樣電機啟動后的PWM波形，設置為單次上升沿觸發，采樣時間大概為7秒，波形如圖4所示，由于采樣的時間長，波形多，完全是密密麻麻，什么細節都看不到，開啟測量和統計功能，可以看到信號周期、頻率、占空比Current、Max、Min和相關計算值，但是還是找不到異常的占空比波形。

圖4 PWM波形和測量

這個時候用ZDS4000系列示波器新開發獨特的占空比趨勢測量功能，將每一個PWM波的占空比顯示在屏幕上，點擊示波器數學運算Math按鍵，模式選擇趨勢圖，類型選擇占空比，示波器會自動檢測PWM波的周期和閾值，無需過多設置，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，可以看到占空比緩慢遞增后大約在屏幕中間位置出現了異常。和通道1一樣，MATH通道也可以調節垂直檔位和偏移。

圖5 占空比趨勢波形

定位到占空比異常位置后，開啟示波器縮放模式下ZOOM多窗口顯示功能，對信號進行局部放大，如圖6所示，可以清晰的看到占空比異常的細節，同時開啟對ZOOM1窗口數據的測量和統計，可以看到占空比從正常的59.62%變為9.99%左右。

圖6 ZOOM模式放大