无刷直流电机偏移角度

1、问题引入

(1)电机偏移角度是什么？若偏移角度不为0，如何让电机转起来？

1.1 GPT答案1

电机偏移角度的定义

电机的偏移角度是指电机的实际转子磁场位置与控制系统所认为的转子磁场位置之间的误差角度。这个误差可能是由于霍尔传感器安装不准确、编码器对齐不良或者电机机械特性的问题造成的。

在无刷直流电机（BLDC）或永磁同步电机（PMSM）中，控制系统需要知道转子的实际位置，以便正确生成定子的磁场，让定子磁场与转子磁场形成一定的夹角，从而产生有效的电磁转矩。如果偏移角度不为0，会导致以下问题：

转矩减小： 如果控制算法计算的电磁角与实际转子角度不对齐，电机的转矩会变小甚至完全消失。
振动或噪声： 偏移角度可能导致电机运行不稳定，出现抖动或振动现象。
效率降低： 偏移会导致电机运行效率低下，损耗增加。

偏移角度不为0时如何让电机正常运行

1. 校准偏移角度

最常见的解决方法是通过校准方式找到偏移角度，并补偿到控制算法中。

方法：

手动调试法：
1. 让电机处于自由状态（无负载）。
2. 手动调整偏移角度补偿值，直到电机能够平稳运行。
3. 将补偿值记录并固化到控制系统中。
自动校准法： 在启动时通过注入特定电流信号的方法校准偏移角度。常用步骤如下：
1. 向定子绕组注入一个固定的电流矢量。
2. 测量转子在静止状态下产生的反应。
3. 根据测得的反应信号计算实际的偏移角度。
4. 将该偏移角度作为补偿值应用到控制算法中。

例如，在 PMSM 电机中，可以通过在某一轴注入固定电流后检测电压反电势的方法来校准角度。

2. 使用传感器优化控制

现代电机控制系统一般使用霍尔传感器或编码器来检测转子的位置。如果偏移角度是由于传感器安装问题造成的，可以重新校正传感器的物理位置，确保它们正确安装。

实例：

假设一个 BLDC 电机使用霍尔传感器检测位置，发现运行中有角度偏移。解决方法是调整霍尔传感器的机械位置（旋转它们），直到信号正确对齐。

3. 使用软件补偿

如果物理校准无法解决问题（例如由于电机设计限制），可以在控制软件中增加补偿偏移的功能。也就是说，在计算转子位置时，主动加上一个偏移角度补偿值。

实例：

在 FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）中，转子位置由编码器给出：

实际位置 = 编码器读取位置 + 偏移补偿值
偏移补偿值可以通过实验或校准获得。

4. 无传感器控制（Sensorless Control）

如果偏移角度是由于传感器问题导致的，还可以使用无传感器控制技术，完全抛弃物理传感器，依赖反电动势（Back-EMF）或其他算法来估算转子的位置。

实例：

在无传感器 BLDC 控制中，控制系统通过监测定子电流和反电势信号计算转子的位置。该方法需要复杂的滤波和估算，但可以避免传感器偏移问题。

实例讲解

假设一个 48V 的 BLDC 电机，使用三相霍尔传感器进行位置检测，但由于霍尔传感器位置安装有误，导致转子偏移角度为 20°，电机无法正常启动。

解决步骤：

测量偏移角度：
- 启动时，将电机置于静止状态，注入固定电流，使用示波器观察霍尔信号与控制信号之间的偏移。
- 发现霍尔信号滞后了 20°。
补偿偏移角度：
- 在控制算法中加入偏移角度补偿值，例如在换相逻辑中主动将霍尔信号的检测角度加 20°。
验证结果：
- 重新启动电机，观察运行是否平稳。
- 如果电机运行正常，记录该补偿值并存储到系统中。

实际控制中的注意事项

动态偏移角度补偿： 电机运行中可能由于负载变化、温度变化等导致偏移角度动态变化，需要设计动态补偿机制。例如，实时监控电流信号和电压信号，调整补偿值。
高精度传感器选择： 如果应用场景要求高精度（如机器人、电动车），应选择高精度编码器或霍尔传感器，并确保安装精度。
控制算法优化： 如果偏移角度变化范围较大，使用更复杂的控制算法（如无传感器 FOC）可以提高电机的容错性和稳定性。

通过这些方法，可以有效地补偿偏移角度问题，从而让电机实现平稳、高效的运行。

1.2 GPT答案2

什么是电机偏移角度？

电机偏移角度通常是指电机实际的初始位置（或传感器检测到的初始位置）与理论参考位置之间的角度差异。这个角度可能是由于以下原因导致的：

传感器误差：比如编码器、霍尔传感器安装位置的偏差。
电机线圈分布误差：线圈绕组和实际磁极位置之间的物理偏差。
机械安装误差：电机和负载之间的机械连接不对中。

在永磁同步电机（PMSM）或无刷直流电机（BLDC）中，这种偏移角度会直接影响电机的换相时序或控制算法的效果。如果偏移角度不为零，电机可能无法正常运行，表现为以下问题：

电机抖动但不旋转。
电机启动困难或效率低下。
电流过大导致发热严重。

如何处理电机偏移角度以使其正常运转？

如果偏移角度不为零，可以通过以下方法使电机正常转动：

1. 手动校准偏移角度

测量偏移角度：通过施加一定的电流（如注入d轴电流），使电机转子固定到一个已知的初始位置，然后读取传感器反馈的角度。
修正控制算法：在控制算法中，补偿偏移角度（例如，加入一个偏移角度修正值）。

2. 自动校准（常用于FOC控制）

在矢量控制（FOC）中，很多控制器都内置了偏移角度的自动校准功能。
通常的过程是：
1. 向定子绕组注入一组特定方向的电流，使转子对齐到一个固定位置。
2. 读取当前角度值作为偏移角度。
3. 在运行时，通过算法动态补偿这个偏移角。

3. 使用无传感器控制（Sensorless Control）

如果无法精确测量偏移角度，可以通过无传感器控制方法（如利用反电动势估算位置）绕过对初始角度的依赖。

4. 调整换相表（对于BLDC电机）

如果使用的是方波控制，可以通过调整换相表中的触发角度来补偿偏移。例如：

对于每个换相点，加入或减去偏移角度值。

5. 硬件调整

如果是机械安装或传感器安装导致的偏差，可以通过重新调整传感器位置或重新校准机械对中来减少偏移角度。

举例：如何让电机转起来

以一个典型的永磁同步电机（PMSM）矢量控制为例，假设偏移角度为 θ_off：

获取实际角度：读取位置传感器的角度值 θ_actual。
计算修正后的角度：θ_corrected = θ_actual - θ_off。
在电流闭环控制中，使用修正后的角度进行Park和Inverse Park变换。
启动电机并监控是否存在异常（如振动、过热）。

总结

如果偏移角度不为零，需要通过软件补偿或硬件调整来解决偏移问题。具体方法取决于控制系统类型（方波、FOC等）和硬件条件。及时校准和补偿偏移角度，可以让电机稳定运行并达到理想性能。

(2)永磁无刷电机初始电角度标定原因以及方法

永磁无刷电机初始电角度标定原因以及方法 - 知乎 (zhihu.com)

在匹配永磁无刷电机的控制时，要进行初始电机角度的标定，如果不进行正常的电机标定，可能导致电机输出功率有损耗、反转甚至卡死的现象。下面从两个方面进行说明：

1、电机初始电角度标定的原因
2、初始电机角度标定的方法

1、电机初始电角度标定的原因

现在永磁无刷直流电流大部分都是用的FOC控制技术，其中的关键一点就是要知道电机的电角度的大小，来进行各种变换。

如上图所示，一般情况下将转子磁极方向和a正向重合的位置作为转子零位（转子在此位置时角度为0°）上电时编码器的初始值为0，假设此时转子位置相对于α轴的γ角为30°，但是由于没有进行电机电角度标定，控制器不知道转子位置是30°，以为是0°，产生一个超前90°的Q轴电流，如上图的β轴，实际上β轴和转子位置相差60°，此时输出力就不会最大。

假设上电时转子位置和β轴重合，但是由于没有进行电机电角度标定，控制器不知道转子位置是90°，以为是0°，产生一个超前90°的Q轴电流，如上图的β轴处，此时电机就直接卡死了。

2、初始电机角度标定的方法

电机需要进行一个开环控制，给定α轴电流，使电机吸附在α轴，读出此时的电角度，即为需要标定的电角度偏移量。

(3)驱动电机旋变零位标定/电机位置角度零位标定/旋变零位偏角标定/电机速度传感器零位标定/电机旋变调零

驱动电机旋变零位标定/电机位置角度零位标定/旋变零位偏角标定/电机速度传感器零位标定/电机旋变调零 - 知乎 (zhihu.com)

(4)[FOC]Hall同步角度(补偿角度)测量方法

[FOC]Hall同步角度(补偿角度)测量方法 - 知乎 (zhihu.com)

(5)计算编码器零点电角度偏移量

计算编码器零点电角度偏移量_编码器零点复位电角度-CSDN博客

(6)测量电机霍尔传感器偏移角度

4.0电机参数的含义及测量方法_电机参数测量-CSDN博客

ST FOC电机库电角度的约定是：默认电机A相的反电动势最高点作为电角度的0度；电机HallA的上升沿到电机A相反电动势最高点的延迟角度为同步电角度；
测量这个参数，需要做点准备工作，把三根相线用三根阻值1K左右的电阻各自连接之后，把电阻的另一端连在一起，让三根相线形成一个中性共地点。如果不加电阻，就相当于直接短接相线，电机的转动像发电机，会需要很大的力。
连接好后，示波器的地夹加载中性点上，示波器探头夹住需要测量的A相线。均匀快速的转动电机。
示例测量如图。