什么是旋變零位偏角？為什么每臺(tái)電機(jī)都需標(biāo)定旋變零位偏角？

電機(jī)位置傳感器零位偏角（即旋變零位偏角或初始角）對(duì)電機(jī)輸出扭矩的精度至關(guān)重要。于新能源150KW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，當(dāng)旋變零位偏角存在+/-2的電角度偏移，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出扭矩在低速無弱磁區(qū)約+/-3Nm的誤差，且在高速弱磁區(qū)約+/-8Nm的誤差。

下面將從以下幾點(diǎn)介紹：電機(jī)位置傳感器零位偏角及其標(biāo)定，即旋變零位偏角及其標(biāo)定：

什么是旋變零位偏角？
為什么每臺(tái)電機(jī)都需標(biāo)定旋變零位偏角？
如何來標(biāo)定旋變零位偏角？

1. 旋變傳感器零位偏角

以三相永磁同步電機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)矢量控制技術(shù)，可確定各個(gè)坐標(biāo)系。

1). 靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC： 定子繞組三相對(duì)稱，軸線相差120度，以定子UVW三相為參考，確定靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC，如圖1所示。

圖1.靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC

2). 靜止坐標(biāo)系αβ： α軸與A軸重合，超前α軸90度為β軸，如圖2所示。

圖2. 靜止坐標(biāo)系αβ

3). 轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq： 電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生磁場的N極中心軸線作為直軸d軸；而超前直軸90度的位置定義為交軸q軸。dq軸是以轉(zhuǎn)子同步的角速度ω旋轉(zhuǎn),假設(shè)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)檎?，如圖3所示

圖3. 轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq

4). 旋變零位： 是指旋變位置傳感器零位，旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時(shí)，轉(zhuǎn)子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓。假設(shè)當(dāng)dq軸坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至d’,q’位置時(shí)，旋變傳感器實(shí)際測量所輸出的角度為零，則定義d’軸位置為旋變零位，如圖4所示，旋變零位是固定不變的。

圖4.D軸與旋變零位重合示意圖

5). 旋變傳感器實(shí)際測量輸出的角度θ： 圖4中d軸與旋變零位重合，當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則旋變零位與d軸會(huì)形成一個(gè)夾角θ，如圖5所示，夾角θ就是旋變傳感器實(shí)際測量所輸出的角度。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)至d軸與零位重合時(shí)，則旋變傳感器實(shí)際測量所輸出角度θ=0度.如圖4所示。

圖5.轉(zhuǎn)子位置角度示意圖

6). 旋變傳感器零位偏角δ： 為旋變零位與A軸的夾角，即是電機(jī)所需標(biāo)定的角度。如圖4所示。

7).電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度 θr **：**為d軸與A軸的夾角，如圖5所示?？芍? θr =θ+δ。

針對(duì)目前電驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)大都采用四對(duì)極，故上述提到的角度需轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電角度。

2. 為什么每臺(tái)電機(jī)都需做旋變零位偏角的標(biāo)定

根據(jù)永磁同步電機(jī)的矢量控制，為了電機(jī)輸出的力矩最大化，定子繞組產(chǎn)生電磁場始終與轉(zhuǎn)子永磁場正交，就需要準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)子位置角度θr，即準(zhǔn)確得到θ和δ。

對(duì)于旋變傳感器實(shí)際測量角度θ的精度，取決于旋變傳感器的電氣誤差、輸出正交軸誤差、解碼計(jì)算誤差、旋變傳感器本身的制造精度等因數(shù)，在此不考慮。

對(duì)于旋變傳感器零位偏角δ的精度，理想狀態(tài)下，電機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)階段是可以確保旋變傳零位與A軸重合，即旋變零位偏角δ=0. 但實(shí)際因電機(jī)生產(chǎn)過程中，存在加工偏差和安裝偏差，導(dǎo)致旋變傳感器實(shí)際定位不一致，以至于每臺(tái)電機(jī)的旋變傳感器偏角不一致。故下線檢測時(shí)每臺(tái)電機(jī)都需要做旋變傳感器零位偏角標(biāo)定。

3. 旋變零位偏角的標(biāo)定

**3.1 **標(biāo)定方法一

當(dāng)給定某三相電流，使得UVW三相合成電流is始終指向A軸，即U相，此時(shí)電流is 產(chǎn)生的感應(yīng)磁場和轉(zhuǎn)子永磁體的磁場相互作用，使得d軸（即轉(zhuǎn)子的N極）與A相重合。此時(shí)可讀取旋變傳感器實(shí)際測量角度為，如圖6所示，則可計(jì)算出旋變傳感器零位偏角：δ=360-θ。

圖6.定子電流is指向A軸示意圖

根據(jù)上述的理論，在工程應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)標(biāo)定和自動(dòng)標(biāo)定兩種方法。

手動(dòng)標(biāo)定： 利用一個(gè)低壓直流電源和一個(gè)旋變傳感器解算設(shè)備，將電機(jī)繞組的U相接通正極，V相和W相接負(fù)極，接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定的位置，此時(shí)，旋變傳感器解算設(shè)備讀到角度。若90 ^0^ <θ<360 ^0^ ,則旋變傳感器零位偏角：δ=360-θ; 若θ<=90 ^0^ ,則旋變傳感器零位偏角：δ=θ。

自動(dòng)標(biāo)定： 將上述提到的手動(dòng)標(biāo)定過程內(nèi)置到電機(jī)控制器內(nèi)部，電機(jī)空載，給定電機(jī)控制器DC電壓，控制U相電電流為某一值，V相和W相電流為相應(yīng)的負(fù)值，則電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)子至某一固定位置，A軸和d軸重合，旋變讀取的角度即為旋變零位偏角。

由于軸承摩擦力的存在和慣性的作用，上述標(biāo)定過程，都會(huì)導(dǎo)致旋變零位與A軸重合產(chǎn)生偏差，另外，因機(jī)械公差，對(duì)于一個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)的每個(gè)電周期測得的角度偏移可能會(huì)有所不同。因此，必須考慮通過為每個(gè)電周期重復(fù)標(biāo)定并計(jì)算平均角度來確定旋變零位偏角。

同理，還可通過電機(jī)控制器在電壓環(huán)中直接給β軸電壓矢量，來標(biāo)定出旋變零位偏角。

此標(biāo)定方法：方法簡單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。標(biāo)定出來的旋變零位偏角精度較高。

**3.2 **標(biāo)定方法二

PSM電機(jī)的扭矩方程：

當(dāng)旋變零位偏角正確，且旋變采樣正確時(shí)，給定的Id、Iq時(shí)，則電機(jī)輸出扭矩為T；給定Id、-Iq時(shí)，則電機(jī)輸出的扭矩為-T。在給定的電流下，只有當(dāng)旋變零位偏角正確時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩T最大。

上述理論，可利用電機(jī)本身的控制器和動(dòng)態(tài)測試臺(tái)架來確定旋變零位偏角的標(biāo)定：

Step1: 給電機(jī)控制供DC額定電壓，電機(jī)控制在扭矩模式；同時(shí)，待標(biāo)電機(jī)被測控機(jī)拖動(dòng)到某一定速，例如3000rpm,但不能弱磁轉(zhuǎn)速區(qū)，測控機(jī)記錄電機(jī)輸出扭矩；

Step2: 通過電機(jī)控制手動(dòng)給定d軸電流Id;

Step3: 標(biāo)定修改旋變零位偏角，記為

Step4: 手動(dòng)給定q軸電流Iq;

Step5: 讀取電機(jī)輸出扭，記為T+;

Step6: 手動(dòng)給定q軸電流-Iq;

Step7: 再次讀取電機(jī)輸出扭，記為T-;

Step8: 重復(fù)上述step3至Step7的操作，直到T+與T-正負(fù)對(duì)稱，絕對(duì)值相等時(shí)，則旋變零位偏角標(biāo)定成功。

此標(biāo)定方法：基本靠試湊，效率低，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定；可用于旋變零位偏角準(zhǔn)確性的驗(yàn)證及優(yōu)化。

**3.3 **標(biāo)定方法三

采用無位置傳感器策略，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，再減去旋變實(shí)際測量的角度，可得旋變零位偏角。無位置傳感器估算轉(zhuǎn)子位置角度的策略多樣，如圖7所示為其中一種。

此標(biāo)定方法：不需借助于測控機(jī)，旋變零位偏角的精度完全取決于無位置傳感器估算策略。

圖7. Sensor-less 的轉(zhuǎn)子位置角度估算原理框圖

**3.4 **標(biāo)定方法四

利用反電動(dòng)勢波形，來正確反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度波形。在標(biāo)定的過程中，需要用到測控機(jī)將待標(biāo)電機(jī)拖動(dòng)到一定的轉(zhuǎn)速，這時(shí)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的反電動(dòng)勢。其一，可通過外部接一個(gè)功率分析儀，來檢測反電動(dòng)勢的波形，從而推出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角度的波形，如圖8所示。其二，可通過軟件控制算法使得電機(jī)控制器進(jìn)入主動(dòng)短接工作狀態(tài),即三相IGBT進(jìn)入“上半橋全開/下半橋全閉合”或“上半橋全閉合/下半橋全開”的工作狀態(tài)，電機(jī)會(huì)發(fā)熱，此時(shí)產(chǎn)生的三相電流波形，即可解算出轉(zhuǎn)子位置角度和旋變零位偏角。

此標(biāo)定方法：需借助測控機(jī)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。標(biāo)定出來的旋變零位偏角精度非常高。