電機(jī)的位置傳感器零位偏角及其標(biāo)定

電機(jī)定位傳感器的零位偏角(即轉(zhuǎn)動(dòng)的零位偏角或初始角度)是電機(jī)輸出力矩精度的關(guān)鍵。對(duì)新能源驅(qū)動(dòng)的150KW馬達(dá)而言，在零偏角為+/-2的情況下，電機(jī)輸出扭矩為低速無(wú)弱磁區(qū)+/-3Nm，高速弱磁區(qū)+/-8Nm。

下面是電機(jī)位置傳感器的零偏角及其校正，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)的零偏角及其校正。

什么是旋轉(zhuǎn)的零偏角呢？為什么每一個(gè)電機(jī)都需要校正一個(gè)零旋變偏斜？如何對(duì)旋變零點(diǎn)偏角進(jìn)行校正？第一個(gè)旋轉(zhuǎn)式傳感器的零偏角。

并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)，確定各個(gè)坐標(biāo)系。

靜坐標(biāo)系A(chǔ)BC：定子繞組三相對(duì)稱(chēng)，軸差120度，參考UVW三相，確定靜坐標(biāo)系A(chǔ)BC。

ABC，靜標(biāo)系。

靜止坐標(biāo)系αβ：α軸與a軸重合，前α軸90度角為β軸。

靜止標(biāo)系αβ

三)。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)dq：電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生磁場(chǎng)的N極中心軸為直軸d軸，直軸前90度角被定義為交q軸。Dq軸以轉(zhuǎn)子同步角速度ω旋轉(zhuǎn)，以轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，Dq系為轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

四)轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)：指轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)。在旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦輸出繞組中，在最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)子的位置是電零點(diǎn)，輸出電壓是零點(diǎn)。假定在dq軸坐標(biāo)系中旋轉(zhuǎn)到d'和q'位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)際測(cè)得的輸出角為零，定義d'軸位置為旋轉(zhuǎn)變壓器零，旋轉(zhuǎn)變壓器固定為零。

第五)旋轉(zhuǎn)式傳感器實(shí)際測(cè)量輸出的角度楔：軸與旋轉(zhuǎn)式零位重合。在轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)零位和d軸形成一個(gè)角度楔，這個(gè)角度楔是旋轉(zhuǎn)傳感器實(shí)際測(cè)量的輸出的角度。轉(zhuǎn)子在d軸上旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)的傳感器實(shí)際測(cè)量的是輸出的角度楔=0度，見(jiàn)圖4。

六)旋轉(zhuǎn)式傳感器零偏角δ：在旋轉(zhuǎn)式零點(diǎn)到a軸之間的角度，也就是電動(dòng)機(jī)要求的校準(zhǔn)角度。

七)如圖5所示，馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置角δr:d:d軸和a軸之間的角度。可見(jiàn)r=δ+δ。

永磁同步電機(jī)目前主要應(yīng)用于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，因此上述角度需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電動(dòng)角度。

為什麼每個(gè)馬達(dá)都需要校正回轉(zhuǎn)零偏角？

通過(guò)對(duì)PMSM矢量控制，使電機(jī)輸出力矩最大化，使定子繞組產(chǎn)生的電磁場(chǎng)始終與轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)呈正交，因此需要精確獲取轉(zhuǎn)子位置的角度δr，即精確獲取δ和δ。

基于旋轉(zhuǎn)傳感器電性能誤差、輸出正交軸誤差、解碼計(jì)算誤差、制造精度等因素，將旋轉(zhuǎn)傳感器實(shí)際測(cè)量的角度下下下坡忽略。

對(duì)旋轉(zhuǎn)式傳感器零偏角δ的精度而言，在理想狀態(tài)下，電機(jī)的研制階段可以保證旋轉(zhuǎn)式傳感器零偏角與a軸的重合，即旋轉(zhuǎn)式零偏角δ=0。但是，由于電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中存在加工、安裝偏差，使得各電機(jī)的旋轉(zhuǎn)傳感器實(shí)際位置不一致，從而導(dǎo)致各電機(jī)的旋轉(zhuǎn)傳感器位置不一致。所以，在在線檢測(cè)時(shí)，每臺(tái)電機(jī)都需要校準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)傳感器的零偏角。

校準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)的零偏角。

標(biāo)定方法一旦給定三相電流，UVW三相合成電流is就總是指向A軸，U軸，此時(shí)該電流is產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)相互作用，使d軸(即轉(zhuǎn)子的N極)與A軸重合。此時(shí)旋變傳感器的實(shí)際測(cè)量角度為，因此可求出旋變傳感器的零位偏角δ=360-δ。

根據(jù)上述理論，在實(shí)際工程中，可實(shí)現(xiàn)定子電流is指向a軸的手動(dòng)和自動(dòng)校準(zhǔn)。

手工標(biāo)定：采用低壓DC電源，采用旋轉(zhuǎn)傳感器計(jì)算裝置，將馬達(dá)繞組的U與正極，V與W與負(fù)極連接。馬達(dá)在接上電源后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。這時(shí)，旋轉(zhuǎn)傳感器，計(jì)算設(shè)備的讀出角。若為9000，則旋轉(zhuǎn)傳感器的零位偏角為δ=360-δ；若為9000，則旋轉(zhuǎn)傳感器的零位偏角為δ。

自校驗(yàn)：上述手動(dòng)校驗(yàn)過(guò)程內(nèi)置于電機(jī)控制器內(nèi)，電機(jī)空載，給定電機(jī)控制器DC電壓，u相電流控制在一定值內(nèi)，v相電流和w相電流控制在相應(yīng)的負(fù)值內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某一位置，a、d軸重合，旋轉(zhuǎn)讀數(shù)為旋轉(zhuǎn)零位偏角。

上述標(biāo)定過(guò)程，由于軸承摩擦和慣性的作用，可能會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)零點(diǎn)與a軸重合的偏差。此外，由于機(jī)械公差的存在，各機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)周期測(cè)定的角度偏差也可能不同。這就需要考慮旋轉(zhuǎn)零位偏差的確定，通過(guò)對(duì)各個(gè)功率周期的重復(fù)校準(zhǔn)，計(jì)算平均角度。類(lèi)似地，電機(jī)控制器也可以直接給β軸電壓矢量，并在電壓環(huán)中校正旋轉(zhuǎn)零位偏差。

該標(biāo)定方法：方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定。定標(biāo)旋轉(zhuǎn)零位偏角精度高。

標(biāo)定方法2。

變頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程：

在正確的旋轉(zhuǎn)零偏角和旋轉(zhuǎn)采樣量下，給定Id和Iq，電機(jī)輸出扭矩為T(mén)；給定Id和-Iq，電機(jī)輸出扭矩為T(mén)。當(dāng)電流一定時(shí)，只要轉(zhuǎn)動(dòng)零偏角正確，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩T就是最大的。

基于以上理論，可利用電機(jī)自身的控制器和動(dòng)態(tài)測(cè)試臺(tái)，對(duì)旋轉(zhuǎn)的零偏角進(jìn)行標(biāo)定：

為電機(jī)控制DC額定電壓，電機(jī)控制在力矩模式；同時(shí)，待標(biāo)電機(jī)由測(cè)控機(jī)拖曳到一定的速度，如3000rpm，但不能減弱磁力轉(zhuǎn)速區(qū)，測(cè)控機(jī)記錄電機(jī)輸出力矩；

第二步：手動(dòng)確定d軸電流d，由電機(jī)控制；

標(biāo)記3：校準(zhǔn)修改零偏轉(zhuǎn)角，記下。

輸入4：手動(dòng)給出q軸電流Iq；

讀出電機(jī)輸出力矩，記為T(mén)+；

六：手動(dòng)給出q軸電流-Iq；

再讀一遍電機(jī)的輸出力矩，記下T-；

Step8：重復(fù)以上step3到Step7的操作，直到T+和T-正負(fù)對(duì)稱(chēng)，絕對(duì)值相等，并且成功地旋轉(zhuǎn)零偏角校準(zhǔn)。該標(biāo)定方法基本靠試湊，效率低，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)定；可用于驗(yàn)證和優(yōu)化旋轉(zhuǎn)零偏角的精度。

利用無(wú)位置傳感器的方法，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角，并減去實(shí)際的旋變量測(cè)角，從而求得電機(jī)的零偏角。沒(méi)有位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)策略有很多種，見(jiàn)圖7。

該標(biāo)定方法不需要測(cè)控器，且無(wú)位置傳感器時(shí)，其估計(jì)精度直接決定了轉(zhuǎn)零角的精度。

標(biāo)定方法4。

采用反電勢(shì)波形對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角波形進(jìn)行正確反應(yīng)。標(biāo)定過(guò)程中，需要用儀器將標(biāo)定電機(jī)拖曳到一定的轉(zhuǎn)速，電機(jī)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)。該方法首先通過(guò)外接功率分析器檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)的波形，進(jìn)而推出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角的波形；二是通過(guò)軟件控制算法，電機(jī)控制器可進(jìn)入主動(dòng)短接工作狀態(tài)，即三相IGBT進(jìn)入上半橋全開(kāi)/下半橋全閉或上半橋全閉/下半橋全開(kāi)工作狀態(tài)，電機(jī)會(huì)發(fā)熱。三相電流在此產(chǎn)生的波形可計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角和旋轉(zhuǎn)零點(diǎn)角。

該校驗(yàn)方法：需要借助測(cè)控機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校驗(yàn)。標(biāo)定旋轉(zhuǎn)零位偏角的精度非常高。

以上是經(jīng)常提到的四種零旋變偏角的標(biāo)定方法，當(dāng)然也有許多其它的標(biāo)定方法，它們都是從電機(jī)控制模型和算法中產(chǎn)生的理論。最后，讓我多說(shuō)幾句廢話：熟悉電機(jī)的控制模型和算法，了解各種不同的校正方法和策略。

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