HBM傳感器采用 Perception 軟件，通過空間矢量，對(duì)電能測量量進(jìn)行計(jì)算和實(shí)現(xiàn)

綜述

空間矢量通常用于簡明扼要地表示電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)例如變壓器或感應(yīng)電機(jī)的測量量。如果和時(shí)間相關(guān)的空間矢量以復(fù)平面軌跡曲線表示，這些電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作狀態(tài)等信息就可以被測定。為了進(jìn)一步簡化這些測量量，空間矢量需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中表示。本文描述了如何使用 Perception 軟件在不同坐標(biāo)系中表示空間矢量，并采用永磁激勵(lì)同步電機(jī)作為案例進(jìn)行說明。

1. 簡介

對(duì)于電能系統(tǒng)的測量來說，多種物理量必須記錄，存儲(chǔ)和調(diào)制，如圖1.1采用的是三相驅(qū)動(dòng)。 Genesis HighSpeed 數(shù)據(jù)記錄儀能夠?qū)﹄娔芟到y(tǒng)的所有重要物理量進(jìn)行同步采集 - 多通道，采樣率[1]。尤其是三相系統(tǒng)來說，采用空間矢量能夠清楚地顯示這些測量量并非常容易解釋。空間矢量也可以用于表示靜止操作狀態(tài)和動(dòng)平衡過程。在本文中，首先解釋了空間矢量的定義公式和在不同坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換的規(guī)則。接著描述了如何采用空間矢量來表示永磁激勵(lì)同步電機(jī)(PSM)的物理量。并采用 Perception 工作臺(tái)[3] 來實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程。

圖1.1: Genesis HighSpeed 數(shù)據(jù)記錄儀用于電驅(qū)動(dòng)物理量測試，存儲(chǔ)和信號(hào)調(diào)理

2.空間矢量

1959年 K.P. Kovács 發(fā)表了空間矢量理論來對(duì)三相系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。通常用于描述感應(yīng)電機(jī)的控制方法。這樣，在一定條件下，三相系統(tǒng)的電學(xué)和磁學(xué)量可被映射到一個(gè)兩相正交系統(tǒng)和一個(gè)零序系統(tǒng)中。兩相正交系統(tǒng)可被解釋為空間矢量的復(fù)數(shù)。復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部以復(fù)平面的 α 和 β 軸來顯示。公式 1.01 定義了三線變量X1，X2和X3進(jìn)行復(fù)雜空間矢量 計(jì)算規(guī)則:

α 是復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù).

相應(yīng)的零序系統(tǒng)由以下公式計(jì)算

。圖 2.1a 顯示了 空間矢量 正交坐標(biāo)系

橫坐標(biāo)α表示空間矢量的實(shí)數(shù)部分，縱坐標(biāo)β表示虛數(shù)部分。在該圖中的坐標(biāo)軸（α，β）是靜止的。當(dāng)旋轉(zhuǎn) 120° a, b, c 時(shí)，線量可以通過空間矢量投影獲得。

圖2.1: 空間矢量在復(fù)平面 a) 實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)系 α, β 在靜止?fàn)顟B(tài)下， b) 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下

Perception 軟件提供轉(zhuǎn)換三相量 (x1, x2, x3) 到空間矢量的預(yù)定義功能:

還提供了一個(gè)逆相變數(shù)學(xué)函數(shù)，來計(jì)算從空間矢量到相應(yīng)的線量:

各種轉(zhuǎn)換參數(shù)的含義在線幫助部分清晰描述，當(dāng)輸入公式時(shí)提示。
采用這些轉(zhuǎn)換功能，計(jì)算可在空間向量域中執(zhí)行。計(jì)算的結(jié)果可以再次以線量顯示。

在很多應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)系可以提高結(jié)果的清晰性，并降低計(jì)算開銷。目前，我們采用的是靜止?fàn)顟B(tài)的 α 和 β 軸，也可以考慮 d,q 坐標(biāo)系下的空間矢量，也就是旋轉(zhuǎn)了相對(duì)應(yīng)原始坐標(biāo)系選擇了時(shí)間依賴性角度γ(t)的坐標(biāo)系。如果空間矢量是自極坐標(biāo)下描述的化，轉(zhuǎn)換規(guī)則推導(dǎo)非常簡單。靜止極坐標(biāo)系的空間矢量如下:

如圖所示 1.1b），這個(gè)空間矢量也可采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d和q軸描述。上標(biāo)R表示該空間矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表示。在不同的坐標(biāo)系下，極點(diǎn)顯示量不會(huì)發(fā)生變化，只是角度需要調(diào)整。

空間矢量從一個(gè)坐標(biāo)系到另外一個(gè)的轉(zhuǎn)化，僅需乘以旋轉(zhuǎn)因子 ejγ.

歐拉公式 ejγ = cos(γ)+j sin(γ) 可以用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)空間矢量的分量。

Perception 提供以下功能，用于三個(gè)線量 x1, x2 和 x3 到旋轉(zhuǎn)空間矢量的轉(zhuǎn)換。

所需的轉(zhuǎn)化的角 γ 可以通過計(jì)算或位置編碼器讀取，這取決于應(yīng)用。

3. 永磁激勵(lì)同步電機(jī)

在不同坐標(biāo)系下空間矢量的轉(zhuǎn)換通過以下永磁激勵(lì)同步電機(jī)來進(jìn)行說明 [4]。為保存描述的簡單性，采用了一臺(tái)各向同性同步電機(jī)。圖 3.1a) 為一臺(tái)表面安裝的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。這種類型的電機(jī)可被認(rèn)為是大致各向同性的。在這里極對(duì)數(shù)量為 p=2。為獲得電機(jī)更多的有用描述，實(shí)際的電機(jī)模型極對(duì)采用 p=1。 另外，我們必須考慮機(jī)械轉(zhuǎn)速n與電氣頻率f 的相關(guān)性。

圖3.1: a) PSM 基本布局 b) PSM 的空間矢量模型

如果位置編碼器放置在電機(jī)軸上，需要獲取極對(duì)數(shù) p，偏移角度 γ0 和角度γ，才能進(jìn)行矢量的轉(zhuǎn)換計(jì)算。功能

在 Perception 軟件中定義。偏置角γ0考慮了機(jī)械轉(zhuǎn)子的北極和位置編碼器零位置之間的偏移。

無負(fù)載測試用來確定偏置角γ0。要做到這一點(diǎn)，同步電機(jī)必須用軸來機(jī)械驅(qū)動(dòng)。圖 3.2 顯示了星形電壓U1，機(jī)械角度 γmech 通過位置編碼器獲取。偏移角度γ0可以從電壓U1的負(fù)斜率的零交叉和位置編碼器零點(diǎn)的時(shí)間偏移讀取。

圖 3.2: 星電壓 u1 時(shí)間相關(guān)曲線， 機(jī)械角 γmech 和電能角 γ

無負(fù)載的星形電壓如圖3.3。如果電壓的振幅相同，相位偏移為 120°，這三個(gè)正弦電壓將形成對(duì)稱三相系統(tǒng)。空間矢量分量(uα,uβ) 如圖3.3a 顯示為一個(gè)時(shí)間函數(shù)。由于是對(duì)稱系統(tǒng)，這些空間矢量分量(uα,uβ)的相偏移為90°。

如果空間矢量分量采用xy表示，電壓空間矢量將被描述為一個(gè)環(huán)形，如圖3.3b。如果曲線的軌跡和理想圓有偏離，則可以一眼看出，這三個(gè)電壓無法形成一個(gè)對(duì)稱三相系統(tǒng)。

圖. 3.3: 星電壓 u1,u2 和u3 時(shí)間相關(guān)曲線，空間矢量分量 uα,uβ (左圖)。電壓空間矢量的軌跡（右圖）

如果空間矢量分量 uα 和 uβ在一個(gè)旋轉(zhuǎn)極坐標(biāo)下以 ud 和 uq 表示，這些隨時(shí)間變化的量將變成恒定量。對(duì)稱三相系統(tǒng)的分量 ud 和 uq 如圖3.4。一次時(shí)間函數(shù)，一次為復(fù)平面。

圖. 3.4:時(shí)間相關(guān)曲線 a) 空間矢量分量 ud 和 uq 和

b) 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓空間矢量分量

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