永磁交流伺服電機(jī)的編碼器相位為何要與轉(zhuǎn)子磁極相位對齊？

永磁交流伺服電機(jī)的編碼器相位為何要與轉(zhuǎn)子磁極相位對齊？其唯一目的就是要達(dá)成矢量控制的目標(biāo)，使d軸勵磁分量和q軸出力分量解耦，令永磁交流伺服電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的電磁場始終正交于轉(zhuǎn)子永磁場，從而獲得最佳的出力效果，即“類直流特性”，這種控制方法也被稱為磁場定向控制（FOC），達(dá)成FOC控制目標(biāo)的外在表現(xiàn)就是永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，如下圖所示：

圖1 因此反推可知，只要想辦法令永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，就可以達(dá)成FOC控制目標(biāo)，使永磁交流伺服電機(jī)的初級電磁場與磁極永磁場正交，即波形間互差90度電角度，如下圖所示：

圖2 如何想辦法使永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致呢？由圖1可知，只要能夠隨時檢測到正弦型反電勢波形的電角度相位，然后就可以相對容易地根據(jù)電角度相位生成與反電勢波形一致的正弦型相電流波形了。 在此需要明示的是，永磁交流伺服電機(jī)的所謂電角度就是a相（U相）相反電勢波形的正弦（Sin）相位，因此相位對齊就可以轉(zhuǎn)化為編碼器相位與反電勢波形相位的對齊關(guān)系；另一方面，電角度也是轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的d軸（直軸）與定子坐標(biāo)系的a軸（U軸）或α軸之間的夾角，這一點有助于圖形化分析。 在實際操作中，歐美廠商習(xí)慣于采用給電機(jī)的繞組通以小于額定電流的直流電流使電機(jī)轉(zhuǎn)子定向的方法來對齊編碼器和轉(zhuǎn)子磁極的相位。當(dāng)電機(jī)的繞組通入小于額定電流的直流電流時，在無外力條件下，初級電磁場與磁極永磁場相互作用，會相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上，如下圖所示：

圖3 對比上面的圖3和圖2可見，雖然a相（U相）繞組（紅色）的位置同處于電磁場波形的峰值中心（特定角度），但FOC控制下，a相（U相）中心與永磁體的q軸對齊；而空載定向時，a相（U相）中心卻與d軸對齊。也就是說相對于初級（定子）繞組而言，次級（轉(zhuǎn)子）磁體坐標(biāo)系的d軸在空載定向時有會左移90度電角度，與FOC控制下q軸的原有位置重合，這樣就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子空載定向時a軸（U軸）或α軸與d軸間的對齊關(guān)系。 此時相位對齊到電角度0度，電機(jī)繞組中施加的轉(zhuǎn)子定向電流的方向為bc相（VW相）入，a相（U相）出，由于b相（V相）與c相（W相）是并聯(lián)關(guān)系，流經(jīng)b相（V相）和c相（W相）的電流有可能出現(xiàn)不平衡，從而影響轉(zhuǎn)子定向的準(zhǔn)確性。 實用化的轉(zhuǎn)子定向電流施加方法是b相（V相）入，a相（U相）出，即a相（U相）與b相（V相）串聯(lián)，可獲得幅值完全一致的a相（U相）和b相（V相）電流，有利于定向的準(zhǔn)確性，此時a相（U相）繞組（紅色）的位置與d軸差30度電角度，即a軸（U軸）或α軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置上，如圖所示：

圖4 上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法對應(yīng)的繞組相反電勢波形和線反電勢，以及電角度的關(guān)系如下圖所示，棕色線為a軸（U軸）或α軸與d軸對齊，即直接對齊到電角度0點；紫色線為a軸（U軸）或α軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置，即對齊到-30度電角度點：

圖5 上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法在dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和abc （UVW）或αβ定子坐標(biāo)系中的矢量關(guān)系如圖6所示：

圖6 圖中棕色線所示的d軸與a軸（U軸）或α軸對齊即對齊到電角度0點。對齊方法是對電機(jī)繞組施加電角度相位固定為-90度的電流矢量，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會移向FOC控制下電角度相位為-90度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與a軸或α軸重合的位置，并最終定向于該位置，即電角度0度。 紫色線所示的d 軸與a軸（U軸）或α軸相差 30度，即對齊到-30度電角度點。對齊方法是對電機(jī)繞組施加電角度相位固定為-60度的電流矢量，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會移向在FOC下電角度相位為-60度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與a軸或α軸沿順時針方向相差30度的位置，并最終定向于該位置，即電角度-30度。 說明一點：文中有關(guān)U、V、W相和a、b、c相，U、V、W軸和a、b、c軸的敘述具有一一對應(yīng)關(guān)系。

審核編輯 ：李倩