什么是旋變零位偏角？為什么每臺電機都需標定旋變零位偏角？

電機位置傳感器零位偏角（即旋變零位偏角或初始角）對電機輸出扭矩的精度至關重要。于新能源150KW的驅動電機而言，當旋變零位偏角存在+/-2的電角度偏移，則會導致電機輸出扭矩在低速無弱磁區約+/-3Nm的誤差，且在高速弱磁區約+/-8Nm的誤差。

下面將從以下幾點介紹：電機位置傳感器零位偏角及其標定，即旋變零位偏角及其標定：

什么是旋變零位偏角？
為什么每臺電機都需標定旋變零位偏角？
如何來標定旋變零位偏角？

1. 旋變傳感器零位偏角

以三相永磁同步電機為例，根據電機矢量控制技術，可確定各個坐標系。

1). 靜止坐標系ABC： 定子繞組三相對稱，軸線相差120度，以定子UVW三相為參考，確定靜止坐標系ABC，如圖1所示。

圖1.靜止坐標系ABC

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

圖2. 靜止坐標系αβ

3). 轉子同步旋轉坐標系dq： 電機轉子磁極產生磁場的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軸是以轉子同步的角速度ω旋轉,假設轉子逆時針旋轉的方向為正，如圖3所示

圖3. 轉子同步旋轉坐標系dq

4). 旋變零位： 是指旋變位置傳感器零位，旋轉變壓器的正弦輸出繞組中感應電壓最小時，轉子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓。假設當dq軸坐標系旋轉至d’,q’位置時，旋變傳感器實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). 旋變傳感器實際測量輸出的角度θ： 圖4中d軸與旋變零位重合，當轉子繼續逆時針旋轉，則旋變零位與d軸會形成一個夾角θ，如圖5所示，夾角θ就是旋變傳感器實際測量所輸出的角度。當轉子旋轉至d軸與零位重合時，則旋變傳感器實際測量所輸出角度θ=0度.如圖4所示。

圖5.轉子位置角度示意圖

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

7).電機轉子位置角度 θr **：**為d軸與A軸的夾角，如圖5所示。可知: θr =θ+δ。

針對目前電驅動用永磁同步電機大都采用四對極，故上述提到的角度需轉化成對應的電角度。

2. 為什么每臺電機都需做旋變零位偏角的標定

根據永磁同步電機的矢量控制，為了電機輸出的力矩最大化，定子繞組產生電磁場始終與轉子永磁場正交，就需要準確得到轉子位置角度θr，即準確得到θ和δ。

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

對于旋變傳感器零位偏角δ的精度，理想狀態下，電機的開發設計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. 但實際因電機生產過程中，存在加工偏差和安裝偏差，導致旋變傳感器實際定位不一致，以至于每臺電機的旋變傳感器偏角不一致。故下線檢測時每臺電機都需要做旋變傳感器零位偏角標定。

3. 旋變零位偏角的標定

**3.1 **標定方法一

當給定某三相電流，使得UVW三相合成電流is始終指向A軸，即U相，此時電流is 產生的感應磁場和轉子永磁體的磁場相互作用，使得d軸（即轉子的N極）與A相重合。此時可讀取旋變傳感器實際測量角度為，如圖6所示，則可計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

根據上述的理論，在工程應用中，可實現手動標定和自動標定兩種方法。

手動標定： 利用一個低壓直流電源和一個旋變傳感器解算設備，將電機繞組的U相接通正極，V相和W相接負極，接通電源時，電機轉子旋轉到一定的位置，此時，旋變傳感器解算設備讀到角度。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。

自動標定： 將上述提到的手動標定過程內置到電機控制器內部，電機空載，給定電機控制器DC電壓，控制U相電電流為某一值，V相和W相電流為相應的負值，則電機會轉子至某一固定位置，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，上述標定過程，都會導致旋變零位與A軸重合產生偏差，另外，因機械公差，對于一個機械旋轉的每個電周期測得的角度偏移可能會有所不同。因此，必須考慮通過為每個電周期重復標定并計算平均角度來確定旋變零位偏角。

同理，還可通過電機控制器在電壓環中直接給β軸電壓矢量，來標定出旋變零位偏角。

此標定方法：方法簡單，易實現自動標定。標定出來的旋變零位偏角精度較高。

**3.2 **標定方法二

PSM電機的扭矩方程：

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

上述理論，可利用電機本身的控制器和動態測試臺架來確定旋變零位偏角的標定：

Step1: 給電機控制供DC額定電壓，電機控制在扭矩模式；同時，待標電機被測控機拖動到某一定速，例如3000rpm,但不能弱磁轉速區，測控機記錄電機輸出扭矩；

Step2: 通過電機控制手動給定d軸電流Id;

Step3: 標定修改旋變零位偏角，記為

Step4: 手動給定q軸電流Iq;

Step5: 讀取電機輸出扭，記為T+;

Step6: 手動給定q軸電流-Iq;

Step7: 再次讀取電機輸出扭，記為T-;

Step8: 重復上述step3至Step7的操作，直到T+與T-正負對稱，絕對值相等時，則旋變零位偏角標定成功。

此標定方法：基本靠試湊，效率低，不易實現自動標定；可用于旋變零位偏角準確性的驗證及優化。

**3.3 **標定方法三

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

此標定方法：不需借助于測控機，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 的轉子位置角度估算原理框圖

**3.4 **標定方法四

利用反電動勢波形，來正確反應電機轉子位置角度波形。在標定的過程中，需要用到測控機將待標電機拖動到一定的轉速，這時電機會產生一個對應的反電動勢。其一，可通過外部接一個功率分析儀，來檢測反電動勢的波形，從而推出電機轉子位置角度的波形，如圖8所示。其二，可通過軟件控制算法使得電機控制器進入主動短接工作狀態,即三相IGBT進入“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，電機會發熱，此時產生的三相電流波形，即可解算出轉子位置角度和旋變零位偏角。

此標定方法：需借助測控機，可實現自動標定。標定出來的旋變零位偏角精度非常高。