电机位置零位偏角及其标定

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1、电机位置零位偏角及其标定于新能源150kw的驱动电机而言，电机位置零位偏角（即旋变零位偏角或初始角）对 电机输出扭矩的精度至关重要。当旋变零位偏角存在+/-2的电角度偏移，则会导致电机输出扭矩在低速无弱磁区约 +/-3Nm的误差，且在高速弱磁区约 +/-8Nm的误差。1、旋变零位偏角以三相永磁同步电机为例，根据电机矢量控制技术，可确定各个坐标系：1）静止坐标系ABC :定子绕组三相对称，轴线相差120度，以定子UVW三相为参考，确定静止坐 标系ABC，如图1所示图2.静止坐标系a图3.转子同步旋转坐标系 dq3）转子同步旋转坐标系 dq：电机转子磁极产生磁场的 N极中心轴线作为直轴 d轴; 而

2、超前直轴90度的位置定义为交轴 q轴。dq轴是以转子同步的角速度 3旋转，假设转子 逆时针旋转的方向为正，如图 3所示。4）旋变零位：是指旋变位置零位，旋转变压器的正弦输出绕组中感应电压最小时，电 机转子位置就是电气零位，输出电压就是零位电压。假设当dq轴坐标系旋转至d q位置时,旋变实际测量所输出的角度为零，则定义d 轴位置为旋变零位，如图 4所示，旋变零位是图5.转子位置角度示意图5） 旋变实际测量输出的角度B:图4中d轴与旋变零位重合，当转子继续逆时针旋转，则旋变零位与d轴会形成一个夹角 0,如图5所示，夹角B就是旋变实际测量所输出的角 度。当转子旋转至d轴与零位重合时，则旋变实际测量所

3、输出角度0 =C如图4所示。6） 旋变零位偏角 &为旋变零位与 A轴的夹角，即电机所需标定的角度，如图4所示。7）电机转子位置角度 0r为d轴与A轴的夹角，如图5所示，可知：0 r= 0 + &2. 为什么每台电机都需做旋变零位偏角的标定根据永磁同步电机的矢量控制，为了电机输出的力矩最大化，定子绕组产生电磁场始 终与转子永磁场正交，就需要准确得到转子位置角度0,即准确得到0和&对于旋变实际测量角度的精度，取决于旋变的电气误差、输出正交轴误差、解码计算误差、旋变本身 的制造精度等因数，在此不考虑。对于旋变零位偏差的精度，理想状态下，电机的开发设 计阶段是可以确保旋变传零位与A轴重合，即& =0但

4、实际因电机生产过程中，存在加工偏差和安装偏差，导致旋变安装定位不一致，以至于每台电机的旋变偏角不一致。故下线检 测时每台电机都需要做旋变零位偏角标定。3. 旋变零位偏角的标定1）.标定方法一当给定某三相电流，使得UVW三相合成电流is始终指向A轴，即U相，此时电流is产生的感应磁场和转子永磁体的磁场相互作用，使得d轴（即转子的N极）与A相重合。此时可读取旋变实际测量角度为0,如图6所示，则可计算出旋变零位偏角：& =3600。C图6根据上述的理论，在工程应用中，可实现手动标定和自动标定两种方法。手动标定：利用一个低压直流电源和一个旋变解算设备，将电机绕组的U相接通正极,V相和W相接负极，接通电

5、源时，电机转子旋转到一定的位置，此时，旋变解算设备读到 角度0。若900 360，则旋变零位偏角：& =360 0若0 =90,则旋变零位偏角：& =0自动标定：将上述提到的手动标定过程内置到电机控制器内部，电机空载，给定电机 控制器DC电压，控制U相电电流为某一值， V相和W相电流为相应的负值（即 U相上半 桥闭合，V/W相下班桥闭合），则电机会转子至某一固定位置，即A轴与d轴重合，旋变读取的角度即为旋变零位偏角。由于轴承摩擦力的存在和惯性的作用，上述标定过程，都 会导致旋变零位与 A轴重合产生偏差，另外，因机械公差，对于一个机械旋转的每个电周 期测得的角度偏移可能会有所不同。因此，必须考虑

6、通过为每个电周期重复标定并计算平均角度来确定旋变零位偏角。同理，还可通过电机控制器在电压环中直接给B轴电压矢量,来标定出旋变零位偏角。此标定方法：方法简单，易实现自动标定。标定出来的旋变零位 偏角精度较高。2）.标定方法二PSM电机的扭矩方程：T=3/2p （ pIq+ （Ld-Lq） ld|q）当旋变零位偏角正确，且旋变采样正确时，给定的Id、Iq时，则电机输出扭矩为 T ;给定Id、-Iq时，则电机输出的扭矩为-T。在给定的电流下，只有当旋变零位偏角正确时， 电机输出的扭矩 T最大。根据上述理论，可利用电机本身的控制器和动态测试台架来确定 旋变零位偏角的标定：Step1:给电机控制供 DC

7、额定电压，电机控制在扭矩模式；同时，待标电机被测控机 拖动到某一定速，例如 3000rpm,但不能弱磁转速区，测控机记录电机输出扭矩；Step2:通过电机控制手动给定d轴电流Id ;Step3:标定修改旋变零位偏角，记为3;Step4:手动给定q轴电流Iq ;Step5:读取电机输出扭，记为 T+;Step6:手动给定q轴电流-Iq;Step7:再次读取电机输出扭，记为T-;Step8:重复上述step3至Step7的操作，直到 T+与T-正负对称，绝对值相等时，则旋 变零位偏角标定成功。另外，可衍生其他标定：首先待标电机空载，测控机测出摩擦力Tf,再将待标电机拖动到弱磁转速，如：9000rp

8、m,且待标电机进入扭矩模式，修改旋变零位偏角3,再请求ONm,观察测控机记录的电机输出扭矩为T,当T=Tf时(即零位偏见正确时，q轴电流为0,d轴电流用于弱磁，当零位偏角不正确，则d轴部分电流会用于产生扭矩)，则旋变零位偏角标定成功。此标定方法：基本靠试凑，效率低，不易实现自动标定；可用于旋变零位偏角准确性的 验证及优化。3) .标定方法三采用无位置策略，计算出电机的转子位置角度，再减去旋变实际测量的角度，可得旋 变零位偏角。无位置估算转子位置角度的策略多样，如图7所示为其中一种。此标定方法：不需借助于测控机，旋变零位偏角的精度完全取决于无位置估算策略。图7. Sensor-less的转子位置角度估算原理框图。4) .标定方法四利用反电动势波形，来正确反应电机转子位置角度波形。在标定的过程中，需要用到 控机将待标电机拖动到一定的转速，这时电机会产生一个对应的反电动势。其一，可通过 外部接一个功率分析仪，来检测反电动势的波形，从而推出电机转子位置角度的波形，如 图8所示。其二，可通过软件控制算法使得电机控制器进入主动短接工作状态，即三相 IGBT进入上半桥全开/下班桥全闭合”或上半桥全闭合/下半桥全开”的工作状态，电机会 发热，此时产生的三相电流波形，即可解算出转子位置角度和旋变零位偏角。此标定方法： 需借助测控机，可实现自动标定。标定出来的旋变零位偏角精度非常高。