利用vMeasure eMobilityAnalyzer函数库分析电机性能

本文利用vMeasure eMobilityAnalyzer函数库中的克拉克变换功能，将三相电机定子电流或电压转换为两相电流或电压，帮助工程师更有效地、可视化地分析电机的行为并对控制算法进行针对性的优化，从而提高电机的性能和效率。

eMobilityAnalyzer函数库提供高压测量领域分析所需的全面功能，包含电机驱动功率分析、逆变器转换效率分析、谐波分析以及充电效率分析等。通过使用这些高级工具，工程师可以精确地评估和优化电机控制系统的性能。

基本原理

克拉克变换利用三相正交平衡电压/电流的数学关系，将其变换到两相静止坐标系下的αβ轴，可以更直观地观察三相信号之间的相位和幅值关系。三相电压/电流为：

其中， Um为电压/电流的峰值，ω为电角速度。

则克拉克变换后αβ轴电压/电流为：

图1：克拉克变换坐标轴转换

实际应用

在vMeasure软件中，只需简单配置就能将三相电压/电流切换为两相坐标系下的αβ轴，同时算法包含对零序分量的计算，工程师可以快速评估零序分量带来的影响。使用vMeasure eMobilityAnalyzer函数库出色的算法，即使出现三相电压、电流不平衡的情况下，也无需先调整系统到平衡状态再进行计算（图2）

图2：配置克拉克变换图形界面

当电机在矢量控制（FOC）下，变换后图形在αβ坐标系中会呈现一个圆形或者近似圆形。如图3是理想情况下三相电压/电流输出结果，相位差120度，幅值保持相同，由于幅值和相位的均匀分布，因此在α-β坐标系中形成一个圆形。在稳定转速的情况下，不断增大扭矩输出，电流幅值随之不断变大，可以看到圆形轨迹直径也在不断变大。

图3：理想三相电机测量结果（三相电流–电流输出增大–克拉克变换结果）

在实际电机运行过程中，由于存在谐波、不平衡负载、故障或电机控制系统算法问题等各种因素，产生零序分量，导致克拉克变换后出现畸变，呈现椭圆形、扭曲形等，在α-β平面中形成偏移或拉长，如图4。

图4：平衡的三相电机实测结果（三相电流–克拉克变换结果）

图5中由于I1相电流输出幅值出现偏差，导致电流分布不平衡，经过克拉克变换后，中心出现了明显的偏移和拉长，可以看到零序分量有电流存在（图5右）。

图5：不平衡的三相电机实测结果（三相电流–克拉克变换–零序电流）

当电机采用块换向控制（block commutation）的时候，因为使用的是六步换相逻辑（六个不同的定向磁矢量状态），克拉克变换后在α-β坐标系中会呈现六边形的轨迹。

图6：块换向控制逻辑下呈现六边形轨迹

总结

利用vMeasure提供的函数库，可以高效地对三相电压/电流进行克拉克变换，从而帮助工程师深入分析电机控制模式；以及通过分析变换后的运行轨迹，可视化地验证控制系统算法，通过优化参数，使电机在α-β坐标系中形成理想的轨迹，以实现所需的电机运行状态和性能。

vMeasure eMobilityAnalyzer函数库还提供其他丰富的函数，配合CSM数采模块，工程师可以便捷地对各项参数进行实时计算，包括电机功率计算、谐波分析、高通/低通滤波、PWM功率分析、高压直流输入/输出效率评估、高压直流电特性分析、轴端机械功率计算、OBC充电效率评估、Fourier分析等，如图6所示。

图7：eMobilityAnalyzer函数库功能概览