直接正交零點(diǎn)（dq0）參數(shù)是磁場定向控制算法中的重要變量。這些重要參數(shù)通常是控制系統(tǒng)中使用的，但是在設(shè)計(jì)優(yōu)化和調(diào)試過程中，這些參數(shù)需要實(shí)時(shí)測量，同時(shí)需要將這些參數(shù)值與測量值（如扭矩輸出）關(guān)聯(lián)起來。

以前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變器設(shè)計(jì)者通常使用自定義的軟件和硬件，去測量這些參數(shù)，把dq0參數(shù)與扭矩相關(guān)聯(lián)。這種自定義方法極其復(fù)雜，且價(jià)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(zhuǎn)傳感器和無傳感器系統(tǒng)的合成驅(qū)動(dòng)矢量。該技術(shù)是逆變器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(hào)處理技術(shù)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的實(shí)時(shí)測量結(jié)果，計(jì)算d、q和0控制參數(shù)。這樣，給定一個(gè)特定電氣輸入，設(shè)計(jì)者就能直觀看到扭矩。

矢量驅(qū)動(dòng)/磁場定向控制

用于同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)器通常采用矢量驅(qū)動(dòng)技術(shù)。與簡單的標(biāo)量驅(qū)動(dòng)相比，矢量驅(qū)動(dòng)能提供更平穩(wěn)的運(yùn)行、更快的加速度和更出色的轉(zhuǎn)矩控制。矢量驅(qū)動(dòng)采用磁場定向控制（FOC），雖然用途廣泛、效率高，但也比標(biāo)量驅(qū)動(dòng)復(fù)雜得多。圖1顯示了面向磁場的控制系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM輸出波形。

圖2是磁場定向控制系統(tǒng)的簡化框圖。控制系統(tǒng)中使用克拉克（Clarke）和帕克（Park）變換，將施加到電機(jī)上的三相電壓轉(zhuǎn)換為正交的D和Q矢量。這些簡化矢量可以很容易地進(jìn)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(nèi)創(chuàng)建脈沖寬度調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

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

圖1. 矢量驅(qū)動(dòng)/磁場定向控制使用復(fù)雜的PWM波形

同樣地，在控制系統(tǒng)中也可使用無傳感器系統(tǒng)，利用電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)來確定轉(zhuǎn)子位置。

如圖1所示，D值和Q值通常位于數(shù)字信號(hào)處理模塊（如FPGA）的內(nèi)部，可能無法直接測量。IMDA-DQO軟件可根據(jù)采樣的三相輸出電壓或電流以及轉(zhuǎn)子的角度位置，來顯示這些關(guān)鍵參數(shù)。這樣，工程師就能看到控制系統(tǒng)調(diào)整的效果，并快速、輕松地查看信號(hào)關(guān)系。

DQ0測量原理

如上所述，在示波器上運(yùn)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(shí)時(shí)計(jì)算d、q和0。本節(jié)將解釋這些測量背后的原理。

三相交流和直流電機(jī)可通過旋轉(zhuǎn)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(shù)。

VG代表相應(yīng)增益，‘w’是2*π*f，這里的‘f’指的是標(biāo)稱頻率。

在正確連接的情況下，示波器可以測量整個(gè)過程中的任意瞬時(shí)電壓值。

圖2. 磁場定向控制系統(tǒng)簡化框圖，顯示如何使用d和q來簡化三相PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的反饋

采集通常約為10個(gè)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(guān)噪聲和電磁干擾（EMI）的影響。

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

給定電壓或電流矢量以及轉(zhuǎn)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(yīng)用矩陣方程（方程4）將三相矢量轉(zhuǎn)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(shí)間，從0到采集時(shí)間。

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

■生成的DQO是旋轉(zhuǎn)參照幀，它代表了系統(tǒng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的情況。

進(jìn)行示波器測量

在MSO5B系列和MSO6B系列的示波器中，逆變器、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器分析軟件包的關(guān)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(diǎn)（DQO）測量。

圖3顯示了DQO測量的源設(shè)置示例。除了選擇源和連線外，還可以指定一個(gè)低通濾波器，該濾波器可以應(yīng)用于所有源的設(shè)置，也可以僅應(yīng)用于邊沿限定。如上所述，這對(duì)于減少EMI和開關(guān)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(duì)于無傳感器系統(tǒng)，可以使用帶偏移角和濾波電信號(hào)的反向電動(dòng)勢(shì)法。

在磁場定向控制中，目標(biāo)是控制D值和Q值來獲取想要的扭矩。通過獨(dú)立控制D和Q，可以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)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(tǒng)上配置示波器進(jìn)行DQO測量

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

在任意時(shí)間點(diǎn)，d軸都沿著轉(zhuǎn)子的南北軸，代表轉(zhuǎn)子磁通方向。q軸超前d軸90度。D代表轉(zhuǎn)子磁通軸，Q代表轉(zhuǎn)矩軸。由于來自定子和轉(zhuǎn)子的垂直磁通會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此最好讓定子或轉(zhuǎn)子的磁通相對(duì)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(shí)域數(shù)學(xué)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(wěn)定性的另一個(gè)指標(biāo)。

除D和Q外，分析軟件還顯示了結(jié)果矢量(R)。R的計(jì)算方法是在D和Q的每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)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(jù)編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(PPR)計(jì)算得出。通過觀察結(jié)果矢量(R)旋轉(zhuǎn)，我們可以看到控制系統(tǒng)是否在平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。我們還可以觀察換向的次數(shù) -- 注意圖4中R向量圖中的六個(gè)失真點(diǎn)，對(duì)應(yīng)六個(gè)換向步驟。

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

｜結(jié)論｜

D、Q、0和R是矢量電機(jī)驅(qū)動(dòng)中常見的磁場定向控制系統(tǒng)的關(guān)鍵變量，但它們很難被實(shí)時(shí)觀測到。本文介紹的新技術(shù)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(guān)鍵變量與電氣和機(jī)械參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。這為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或逆變器的調(diào)試和優(yōu)化提供了寶貴的方法。