电机位置零位偏角及其标定

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1.静止坐标系ABC
2）静止坐标系αβ：α轴与A轴重合，超前α轴90度为β轴，如图2所示。

图2. 静止坐标系α图3. 转子同步旋转坐标系dq 3）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ω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
固定不变的。

图4. d轴与旋变零位重合示意图图5. 转子位置角度示意图
5）旋变实际测量输出的角度θ：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θ，如图5所示，夹角θ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，则旋变实际测量所输出角度θ=0.如图4所示。

6）旋变零位偏角δ：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θr：为d轴与A轴的夹角，如图5所示，可知: θr=θ+δ。

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θr，即准确得到θ和δ。

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δ=0. 但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θ，如图6所示，则可计算出旋变零位偏角：δ=360-θ。

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θ。

若90<θ<360, 则旋变零位偏角：δ=360-θ; 若θ<=90, 则旋变零位偏角：δ=θ。

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β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（Ψp I q+（L d-L q）I d I 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δ；
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：9000rpm,且待标电机进入扭矩模式，修改旋变零位偏角δ，再请求
0Nm, 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。