PMSM转子初始位置预定位和ABZ编码器校零的理论、代码实现及硬件验证调试

导读：本期文章主要介绍坐标变换和预定位两个部分，在永磁同步电机矢量控制系统中，这两个部分也是重要环节。重点介绍预定位和校零。预定位是永磁同步电机获取初始位置的方法之一，其作用大致就是为了防止电机反转和具有一定的启动带载能力。    

图1 永磁同步电机矢量控制系统框图    

一、坐标变换在CCS中的C代码实现过程  

以上是坐标变换Clark、Park和Ipark实现的过程，主要就是相关的结构体变量的定义和实现函数的设计，最后在主函数中进行调用使用即可。进行预定位和ABZ编码器校零的时候，需要用到坐标变换和电流PI调节器部分。

二、预定位的实现及应用  

2.1 预定位的原理及目的  

预定位的原理是通过对电机的定子绕组施加静止的电流矢量（固定角度和幅值），然后由该电流矢量所产生的电磁转矩将电机的转子旋转到预定位置。  

实现预定位（后面的初始位置检测）的目的：避免电机起动时不必要的反转、起动失败现象的发生和能够确保拥有足够的起动输出力矩的能力。  

2.2 预定位实现的过程和校零  

为了便于理解，电机4对极，编码器2500线，4倍频后，电机机械转动1圈会产生10000个脉冲。  

2.2.1 ABZ编码器的校零（编码器安装与A轴之间的偏差，理论上是完全重合无偏差的）  

FOC算法，需要用到电机的转子位置角，这个角度是通过编码器的读数推算出来的。  

理想情况下，如果电机的机械零位和编码器的零位正好对齐，即就是：  

编码器读数为0时，电机的机械角度为0°；  

编码器读数为10000时，电机的机械角度正好为360°；  

编码器读数从0到10000，电机正好机械上旋转一周，电机的电角度正好从0-2π重复了4次（4对极电机），因此，只要我们获得了编码器读数，就能计算出此刻电机的电角度（范围0-2π），就可以完成FOC算法了（FOC需要的是电机的电角度，不是机械角度，即和电机在哪个重复区间没有关系，每个0-2π的区间，对FOC是一样的。话句话说，程序中开环把电机拉到零位，电机会停在4个不同的机械位置，即得到的机械角度不一样，但是，得到的电角度是一样的）。  

但实际上，编码器零位和电机零位很难完全安装一致，多少都有一定的偏差。此时，如果我们不知道这个偏差，程序中读取编码器后，就无法算出准确的电机转子位置了。  

因此，对于一个新电机，我们要测量这个偏差，以便在得到了编码器读数后，仍然可以推算出电机此时的转子位置角。  

一个ABZ编码器电机，获得编码器安装偏差后，只要不拆编码器，这个偏差就是固定的，补偿到程序中，就不用再做校准了。以下是校零的过程步骤：  

（1）之前已经校零过，所以把isw=0中的偏差值改成0；  

（2）修改isw=1中的偏差的获取方式；  

2.2.2 预定位（将转子轴拉到零点，与A轴重合）  

在电机转动之前，转子初始位置是未知的，但在永磁同步电机矢量控制系统中，转子位置必须是已知的，所以对电机进行矢量控制前提必须对转子初始位置进行检测，或直接将转子位置定位到初始位置。  

图（a）表示转子处于一个未知的位置，这时给定子一个直流电流i，i的beta轴分量为0，alpha轴分量的最大值等于额定电流（一般取一个安全值）。此时将产生一个坐落于alpha轴上的磁场，这个磁场与转子磁场产生相互作用力，从而使转子d轴旋转到与alpha轴重合，如图（b）所示。  

如果预定位结束，实际转子轴的位置如上，则说明ABZ编码器安装存在偏差。使用IF强拖一圈，遇到Z信号后锁存位置寄存器的值，该值就是偏差值，补偿到ABZ计算位置角度中即可消除因为安装偏差带来的影响。  

图3 转子预定位算法结构  

控制永磁同步电机时，不要速度环，直接把转矩电流设定为0，把励磁电流设定为固定值，给它不同的设定角度，可以控制电机运行到任何角度位置。  

三、硬件测试及graph图显  

以上预定位，IF强拖校零和切换到双闭环运行过程的整理：  

接下来就是在硬件测试平台上进行校零和角度graph显示测试：  

四、问题总结  

1、对于带有编码器的有感矢量控制，校零是必不可少的步骤，在工业实践过程中的校零一般采取什么方式？  

2、永磁同步电机矢量控制需要直到转子的初始位置，具体原因见上述分析。在实际实践过程中，转子初始位置检测的方法可以归结于三种：（1）风扇类工况可以采用预定位法；2、履带、起动工况一般采用电压矢量脉冲注入法；（3）其它要求高的工况则采用高频注入的方式来获取转子的初始位置。