如何使用示波器分析电机系统的DQ0？

直接正交零点（dq0）参数是磁场定向控制算法中的重要变量。这些重要参数通常是控制系统中使用的，但是在设计优化和调试过程中，这些参数需要实时测量，同时需要将这些参数值与测量值（如扭矩输出）关联起来。

以前，电机驱动器和逆变器设计者通常使用自定义的软件和硬件，去测量这些参数，把dq0参数与扭矩相关联。这种自定义方法极其复杂，且价格昂贵。

泰克提出了一种替代方法，可以测量dq0分量，以及旋转传感器和无传感器系统的合成驱动矢量。该技术是逆变器、电机和驱动器分析软件包（选件 IMDA-DQO），在5系示波器或6系示波器上可以选加配置。它采用信号处理技术，根据驱动系统输出的实时测量结果，计算d、q和0控制参数。这样，给定一个特定电气输入，设计者就能直观看到扭矩。

 

矢量驱动/磁场定向控制

用于同步电机和交流感应电机的先进驱动器通常采用矢量驱动技术。与简单的标量驱动相比，矢量驱动能提供更平稳的运行、更快的加速度和更出色的转矩控制。矢量驱动采用磁场定向控制（FOC），虽然用途广泛、效率高，但也比标量驱动复杂得多。图1显示了面向磁场的控制系统产生的PWM输出波形。

图2是磁场定向控制系统的简化框图。控制系统中使用克拉克（Clarke）和帕克（Park）变换，将施加到电机上的三相电压转换为正交的D和Q矢量。这些简化矢量可以很容易地进行缩放和整合，以维持所需的速度和扭矩。接下来，反向变换可用于在逆变器内创建脉冲宽度调制的驱动信号。

需要注意的是，控制系统还要测量转子的位置。这可以通过霍尔传感器、旋转变压器或正交编码器接口 （QEI）等传感器来实现。

图1. 矢量驱动/磁场定向控制使用复杂的PWM波形

同样地，在控制系统中也可使用无传感器系统，利用电机的反电动势来确定转子位置。

如图1所示，D值和Q值通常位于数字信号处理模块（如FPGA）的内部，可能无法直接测量。IMDA-DQO软件可根据采样的三相输出电压或电流以及转子的角度位置，来显示这些关键参数。这样，工程师就能看到控制系统调整的效果，并快速、轻松地查看信号关系。

DQ0测量原理

如上所述，在示波器上运行的IMDA-DQ0软件，使用采样电压或电流以及角度位置信息来实时计算d、q和0。本节将解释这些测量背后的原理。

三相交流和直流电机可通过旋转电压和电流方程建模。等式1至3表示VR，VS和VT的三相电压函数。

VG代表相应增益，‘w’是2*π*f，这里的‘f’指的是标称频率。

在正确连接的情况下，示波器可以测量整个过程中的任意瞬时电压值。

图2. 磁场定向控制系统简化框图，显示如何使用d和q来简化三相PWM电机驱动中的反馈

采集通常约为10个完整周期，具体取决于采样率和可用记录长度。低通滤波器可用于减轻高频失真、电压尖峰、开关噪声和电磁干扰（EMI）的影响。

示波器还可以利用霍尔效应传感器、QEI或旋转变压器的输出，去测量转子的角位置。

给定电压或电流矢量以及转子角度后，就能求得d、q和0。要将电压或电流矢量按d轴排列，可应用矩阵方程（方程4）将三相矢量转换为dq0矢量。

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

■ t是采样时间，从0到采集时间。

■ θ是由电机输出端的霍尔效应传感器、正交编码器接口（QEI）或旋转变压器确定的电气角度。在无传感器系统中，可以使用相对于基准电压或电流的偏移角度。

■ 生成的DQO是旋转参照帧，它代表了系统相对于转子位置的情况。

进行示波器测量

在MSO5B系列和MSO6B系列的示波器中，逆变器、电机和驱动器分析软件包的关键电气测量被归入电气分析测量类别。电气分析测量类别中有泰克专利的直接正交零点（DQO）测量。

图3显示了DQO测量的源设置示例。除了选择源和连线外，还可以指定一个低通滤波器，该滤波器可以应用于所有源的设置，也可以仅应用于边沿限定。如上所述，这对于减少EMI和开关噪声造成的噪声非常有用。

本例中使用的是正交编码接口（QEI）。对于无传感器系统，可以使用带偏移角和滤波电信号的反向电动势法。

在磁场定向控制中，目标是控制D值和Q值来获取想要的扭矩。通过独立控制D和Q，可以实现最大转矩电流比 (MTPA)。图4显示了示波器上的相量图，D和Q矢量叠加在三相电压矢量上。

图3. 在使用正交编码接口（QEI）的系统上配置示波器进行DQO测量

图4. DQ0相位图显示测量结果矢量 (R)，电机速度和方向反馈由正交编码传感器提供

在任意时间点，d轴都沿着转子的南北轴，代表转子磁通方向。q轴超前d轴90度。D代表转子磁通轴，Q代表转矩轴。由于来自定子和转子的垂直磁通会产生转矩，因此最好让定子或转子的磁通相对于彼此成90度角。也就是说，定子磁通或定子电流最好沿着q轴。

一般来讲，D和Q被视为恒定值，而采用这种方法后，我们可以通过时域数学波形（如图4所示） 直观地看到D和Q上的纹波。这是衡量输入稳定性的另一个指标。

除D和Q外，分析软件还显示了结果矢量(R)。R的计算方法是在D和Q的每个采样点计算D和Q向量的斜边矢量。在这种情况下，斜边矢量由QEI的脉冲(Z)决定。增量角由QEI根据编码器的每转脉冲数(PPR)计算得出。通过观察结果矢量(R)旋转，我们可以看到控制系统是否在平稳地驱动电机。我们还可以观察换向的次数 -- 注意图4中R向量图中的六个失真点，对应六个换向步骤。

图4右下方显示了D、Q、0和R的时间图。使用示波器的光标功能，可以同时在时间上看到测量值，以及相量图上的旋转帧。

｜结论｜

D、Q、0和R是矢量电机驱动中常见的磁场定向控制系统的关键变量，但它们很难被实时观测到。本文介绍的新技术可在示波器上显示这些变量，让工程师方便查看，并且将这些关键变量与电气和机械参数关联起来。这为驱动系统或逆变器的调试和优化提供了宝贵的方法。