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(guān)重要。于新能源150KW的驅(qū)動電機而言，當旋變零位偏角存在+/-2的電角度偏移，則會導(dǎo)致電機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(jù)電機矢量控制技術(shù)， 可確定各個坐標系。

1). 靜止坐標系A(chǔ)BC： 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A(chǔ)BC，如圖1所示。

圖1.靜止坐標系A(chǔ)BC

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(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系dq： 電機轉(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)子逆時針旋轉(zhuǎn)的方向為正，如圖3所示

圖3. 轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系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，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dq軸坐標系旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(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，即是電機所需標定的角度。如圖4所示。

7).電機轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)化成對應(yīng)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(jù)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(chǎn)生電磁場始終與轉(zhuǎn)子永磁場正交，就需要準確得到轉(zhuǎn)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(shù)，在此不考慮。

對于旋變傳感器零位偏角δ的精度，理想狀態(tài)下，電機的開發(fā)設(shè)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(chǎn)過程中，存在加工偏差和安裝偏差，導(dǎo)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(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(jù)上述的理論，在工程應(yīng)用中，可實現(xiàn)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(shè)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到一定的位置，此時，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。

自動標定： 將上述提到的手動標定過程內(nèi)置到電機控制器內(nèi)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(yīng)的負值，則電機會轉(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，上述標定過程，都會導(dǎo)致旋變零位與A軸重合產(chǎn)生偏差，另外，因機械公差，對于一個機械旋轉(zhuǎn)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(fù)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(huán)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(xiàn)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(tài)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(zhuǎn)速區(qū)，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(fù)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(xiàn)自動標定；可用于旋變零位偏角準確性的驗證及優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，這時電機會產(chǎn)生一個對應(yīng)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(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控制器進入主動短接工作狀態(tài),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(tài)，電機會發(fā)熱，此時產(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。

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

圖8.反電動勢及其位置角度波形示意圖

以上是被常提及的四種旋變零位偏角的標定方法，當然還有好多其他的方式方法來標定旋變零位偏角，其理論都源之于電機的控制模型和算法。最后，再允許我多一句廢話：熟悉電機的控制模型或算法，就更易理解各個標定方法或策略。