PWM占空比趋势测量可快速分析电机运行异常

对于电机控制来说，占空比是一项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，正是分析这一问题的核心。只要有了占空比变化趋势曲线，电机异常运行的原因自然就浮出水面。

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。目前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，比较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

这个时候用ZDS4000系列示波器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，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