如何使用示波器分析電機系統的DQ0？

直接正交零點（dq0）參數是磁場定向控制算法中的重要變量。這些重要參數通常是控制系統中使用的，但是在設計優化和調試過程中，這些參數需要實時測量，同時需要將這些參數值與測量值（如扭矩輸出）關聯起來。

以前，電機驅動器和逆變器設計者通常使用自定義的軟件和硬件，去測量這些參數，把dq0參數與扭矩相關聯。這種自定義方法極其復雜，且價格昂貴。

泰克提出了一種替代方法，可以測量dq0分量，以及旋轉傳感器和無傳感器系統的合成驅動矢量。該技術是逆變器、電機和驅動器分析軟件包（選件 IMDA-DQO），在5系示波器或6系示波器上可以選加配置。它采用信號處理技術，根據驅動系統輸出的實時測量結果，計算d、q和0控制參數。這樣，給定一個特定電氣輸入，設計者就能直觀看到扭矩。

矢量驅動/磁場定向控制

用于同步電機和交流感應電機的先進驅動器通常采用矢量驅動技術。與簡單的標量驅動相比，矢量驅動能提供更平穩的運行、更快的加速度和更出色的轉矩控制。矢量驅動采用磁場定向控制（FOC），雖然用途廣泛、效率高，但也比標量驅動復雜得多。圖1顯示了面向磁場的控制系統產生的PWM輸出波形。

圖2是磁場定向控制系統的簡化框圖。控制系統中使用克拉克（Clarke）和帕克（Park）變換，將施加到電機上的三相電壓轉換為正交的D和Q矢量。這些簡化矢量可以很容易地進行縮放和整合，以維持所需的速度和扭矩。接下來，反向變換可用于在逆變器內創建脈沖寬度調制的驅動信號。

需要注意的是，控制系統還要測量轉子的位置。這可以通過霍爾傳感器、旋轉變壓器或正交編碼器接口 （QEI）等傳感器來實現。

圖1. 矢量驅動/磁場定向控制使用復雜的PWM波形

同樣地，在控制系統中也可使用無傳感器系統，利用電機的反電動勢來確定轉子位置。

如圖1所示，D值和Q值通常位于數字信號處理模塊（如FPGA）的內部，可能無法直接測量。IMDA-DQO軟件可根據采樣的三相輸出電壓或電流以及轉子的角度位置，來顯示這些關鍵參數。這樣，工程師就能看到控制系統調整的效果，并快速、輕松地查看信號關系。

DQ0測量原理

如上所述，在示波器上運行的IMDA-DQ0軟件，使用采樣電壓或電流以及角度位置信息來實時計算d、q和0。本節將解釋這些測量背后的原理。

三相交流和直流電機可通過旋轉電壓和電流方程建模。等式1至3表示VR，VS和VT的三相電壓函數。

VG代表相應增益，‘w’是2*π*f，這里的‘f’指的是標稱頻率。

在正確連接的情況下，示波器可以測量整個過程中的任意瞬時電壓值。

圖2. 磁場定向控制系統簡化框圖，顯示如何使用d和q來簡化三相PWM電機驅動中的反饋

采集通常約為10個完整周期，具體取決于采樣率和可用記錄長度。低通濾波器可用于減輕高頻失真、電壓尖峰、開關噪聲和電磁干擾（EMI）的影響。

示波器還可以利用霍爾效應傳感器、QEI或旋轉變壓器的輸出，去測量轉子的角位置。

給定電壓或電流矢量以及轉子角度后，就能求得d、q和0。要將電壓或電流矢量按d軸排列，可應用矩陣方程（方程4）將三相矢量轉換為dq0矢量。

■R、S和T可以代表IR、S、T(t) 或IR,S,T(t) orVRN,SN,TN(t)。

■t是采樣時間，從0到采集時間。

■θ是由電機輸出端的霍爾效應傳感器、正交編碼器接口（QEI）或旋轉變壓器確定的電氣角度。在無傳感器系統中，可以使用相對于基準電壓或電流的偏移角度。

■生成的DQO是旋轉參照幀，它代表了系統相對于轉子位置的情況。

進行示波器測量

在MSO5B系列和MSO6B系列的示波器中，逆變器、電機和驅動器分析軟件包的關鍵電氣測量被歸入電氣分析測量類別。電氣分析測量類別中有泰克專利的直接正交零點（DQO）測量。

圖3顯示了DQO測量的源設置示例。除了選擇源和連線外，還可以指定一個低通濾波器，該濾波器可以應用于所有源的設置，也可以僅應用于邊沿限定。如上所述，這對于減少EMI和開關噪聲造成的噪聲非常有用。

本例中使用的是正交編碼接口（QEI）。對于無傳感器系統，可以使用帶偏移角和濾波電信號的反向電動勢法。

在磁場定向控制中，目標是控制D值和Q值來獲取想要的扭矩。通過獨立控制D和Q，可以實現最大轉矩電流比 (MTPA)。圖4顯示了示波器上的相量圖，D和Q矢量疊加在三相電壓矢量上。

圖3. 在使用正交編碼接口（QEI）的系統上配置示波器進行DQO測量

圖4. DQ0相位圖顯示測量結果矢量 (R)，電機速度和方向反饋由正交編碼傳感器提供

在任意時間點，d軸都沿著轉子的南北軸，代表轉子磁通方向。q軸超前d軸90度。D代表轉子磁通軸，Q代表轉矩軸。由于來自定子和轉子的垂直磁通會產生轉矩，因此最好讓定子或轉子的磁通相對于彼此成90度角。也就是說，定子磁通或定子電流最好沿著q軸。

一般來講，D和Q被視為恒定值，而采用這種方法后，我們可以通過時域數學波形（如圖4所示） 直觀地看到D和Q上的紋波。這是衡量輸入穩定性的另一個指標。

除D和Q外，分析軟件還顯示了結果矢量(R)。R的計算方法是在D和Q的每個采樣點計算D和Q向量的斜邊矢量。在這種情況下，斜邊矢量由QEI的脈沖(Z)決定。增量角由QEI根據編碼器的每轉脈沖數(PPR)計算得出。通過觀察結果矢量(R)旋轉，我們可以看到控制系統是否在平穩地驅動電機。我們還可以觀察換向的次數 -- 注意圖4中R向量圖中的六個失真點，對應六個換向步驟。

圖4右下方顯示了D、Q、0和R的時間圖。使用示波器的光標功能，可以同時在時間上看到測量值，以及相量圖上的旋轉幀。

｜結論｜

D、Q、0和R是矢量電機驅動中常見的磁場定向控制系統的關鍵變量，但它們很難被實時觀測到。本文介紹的新技術可在示波器上顯示這些變量，讓工程師方便查看，并且將這些關鍵變量與電氣和機械參數關聯起來。這為驅動系統或逆變器的調試和優化提供了寶貴的方法。