PM 电机的编码器位置

如何对编码器进行故障排除和调整以提供无故障运行

泰勒·佩查 (Tyler Pecha) 和托尼·海瑟 (Tony Heiser)

多年来，永磁 (PM) 电机因其更高的效率和性能特性而成为电梯应用中的流行选择。 由于 PM 电机的转子由永磁体磁化，而不是感应，因此变频驱动器 (VFD) 必须知道转子相对于定子极对的位置，以便以正确的换向角进行调制以产生最大扭矩输出。 转子位置可由安装在电机轴上的绝对位置编码器确定。 本文将解释如何使用 VFD 测量永磁电机的转子位置以及与编码器位置不正确相关的一些常见问题。

为什么VFD需要知道转子位置？

PM 电机由一个转子和安装在表面（或转子内部）的 PM 和定子线圈组成，定子线圈由 VFD 输出的电流磁化。 转子永磁体和定子电磁场之间的相互作用遵循磁性的一般规律，其中异性相吸，同性力相斥。 然后，当驱动器调节输出电压频率时，会产生旋转的定子磁场以产生扭矩。 但是，适当的定子磁场换向角对于最大扭矩输出是必要的。 当定子和转子磁场彼此成 90° 时，会出现最大扭矩输出（图 1）。 否则，如果定子和磁场之间的角度大于或小于 90°，则必须向定子施加更多电流以产生更强的磁场以产生相同量的扭矩。

因此，施加到定子绕组的三相交流电压的旋转必须与转子上 PM 场的旋转精确同步（例如，电换向）。 这可以通过使用直接安装在电机轴上的绝对位置编码器来实现。 绝对位置编码器有一个通道对，除了用于单圈转子位置的典型速度通道外，在启动期间必须执行一个参考程序，以便驱动器具有与已知位置相对应的位置值，例如电机极，然后用作偏移参考。 电机轴和编码器之间的物理关系对于为 PM 磁场提供正确的换向角至关重要。

当学习到的转子位置不正确时会发生什么？

以下是测量转子位置可能不正确的一些迹象：

• 高电机电流
• 漂移车（按配重方向牵引）
• 没有或轻微的电机轴运动

如果转子位置不正确，驱动器将以错误的角度对定子磁场进行换向，或者可能与转子磁场不同步。 换向角误差导致定子需要更多电流来产生更强的电磁场以产生相同量的扭矩。 对于较大程度的误差，这可能会导致电机消耗高电流，但没有足够的扭矩来移动或保持电机。 随着电气换向角误差量的增加，电机电流消耗以指数速率增加（图 2）。

在图 2 中，“Iqds”是电机的总定子或相电流。 随着换向角误差的程度（电气）增加，电机必须消耗更多的电流来产生所需的扭矩。 编码器在电机轴上的位置不能改变以保持正确的定子磁场换向至关重要。

编码器轴位置和精度

360°（电气）对应于给定频率的交流电压波形的一个周期。 应用于电机定子绕组，这在正半周期间转换为北电磁极，在负半周期间转换为南电磁极。 因此，定子上的 360°（电气）对应于北/南电机极对（图 3）。 公式 1 可用于确定机械和电学度之间的关系：

随着电机极数的增加，转子必须旋转 360°（电气）的机械角度减小。 例如，六极电机的极对之间的角度为 120°（机械），而 20 极电机的极对之间的角度为 36°（机械）。

编码器电气位置可以用对应于 0-360°（电气）的计数范围表示。 虽然电气位置可用于与电机旋转的有效换向角相关，但它最常被称为静态位置偏移（例如，相对于电机极之一）。 在本文中，考虑了 16 位分辨率的极对之间的编码器电气位置计数； 在这种情况下，极对之间的编码器电气位置将对应于 0–65,535 个计数的范围。 计数和机械度之间的关系可以表示为：

or

随着电机极数的增加，每机械度数的计数增加； 也就是说，机械误差的程度转化为电气误差的相应程度，并随着电机极数的增加而增加。 这使得编码器的机械对准对于正确操作更为重要。 这可以通过继续前面的例子来突出显示； 六极电机每机械度数为 546，而 20 极电机每机械度数为 1,820。

对于永磁电机，当定子和转子磁场相距 90° 时，扭矩可以最大化。 因此，电气误差程度将决定提供给电机的给定电流的最大扭矩。 电气误差程度如公式 4 所示，给定电气误差的最大扭矩百分比如公式 5 所示：

or

该最大扭矩将出现在大约 4,000 次计数（± 2,000 次计数）的窗口内。 2,000 计数的误差对应于公式 11 中定子磁场正弦波换向角的 6° 电气误差：

定子磁场换向角 10.98°（电气）的误差意味着扭矩只有 1.83% 的误差：

但是，如图 2 所示，电气误差（由于机械误差）与电流（因此，扭矩，因为这与 PM 电机的电流呈线性相关）之间存在非线性关系由于方程 5 中的正弦函数。

进一步继续前面的例子来说明这一点，对于 1 极电机，电机轴上编码器的 20° 机械安装误差会转化为 1,820 次电气误差，这导致给定电流下电机扭矩损失 1.52%，而同一电机上 2° 的机械安装相当于 6.0% 的电机扭矩损失，而 3° 的误差 a 相当于 13.4% 的电机扭矩损失，等等。不难看出编码器安装如何变得至关重要，并且必须保持精确滑移。 即使是非常大的 2 英寸。 周长（π X 直径）为 6.28 英寸的直径编码器轴，3° 的机械误差对应于外径上约 1/128 英寸的运动。 如果编码器被移除，则需要再次执行编码器位置偏移学习程序。

以下部分包含编码器在电机轴上的位置可能发生变化的一些原因。 第一部分侧重于以前运行无故障的汽车，而第二部分侧重于启动和调试阶段遇到的问题。

第一部分：以前运行的汽车的编码器问题

由于安装不良/连接松动导致编码器滑动

当电机轴上编码器的位置随时间、在不同的井道位置或不同的方向发生变化时，就会发生编码器打滑。 这可能是由于安装不当或安装不当、安装轴上有油脂、安装卡舌断裂或卡住。 为保证编码器不打滑，可在编码器初始位置偏移学习完成后，小车运行至井道底部，再完成一次编码器位置偏移学习。 然后，轿厢可以运行到井道顶部，并且可以完成最终的编码器位置偏移学习。 然后可以将这三个编码器位置偏移学习值相互比较。 如果转子位置在这些程序之间发生剧烈变化（≥±2,000 计数），则可能是由于编码器和电机轴之间的物理关系发生了变化。 在极少数情况下，电机轴和转子钢叠片之间可能会发生滑动（例如，配合松动、焊缝断裂等）。 编码器滑动的程度可能无法通过视觉检测。

确保电机轴没有可能导致安装问题的灰尘和碎屑。 确认所有固定螺钉都拧紧并且编码器正确安装在电机轴上。 一些编码器有一个安装在电机轴末端内部的螺钉，而不是依靠固定螺钉进行安装。 如果用于安装编码器的螺钉太长，它可能会在电机轴螺纹上触底，导致连接不良/松动。 图 5-8 显示了编码器滑动和安装问题的示例。

第二部分：启动期间的编码器问题

编码器通道相位不正确

执行编码器偏移位置学习后，如果电机不转动并消耗高电流，则可能需要更改其相位（例如，“未反转”到“AB 交换”）。 根据编码器的安装方向和电机的相位，可能需要交换增量 AB 速度通道相位。 根据 VFD，可以通过软件参数设置交换通道。

执行编码器偏移位置学习后，如果电机运行时没有汲取大电流，但上下两个方向都运行错误，则只需改变旋转方向（例如“未反转”）到“反向旋转”）。 请注意，每个通道相位对都有一个对应的编码器位置值。 如果通过交换 AB 相位改变编码器通道相位，反之亦然，则必须完成新的编码器位置偏移学习程序。 有关详细信息，请参阅以下部分“电机相位和编码器安装不正确”。

电机数据不正确

如果在编码器位置偏移学习程序之间转子位置发生剧烈变化（≥±2,000 计数），滑轮不移动，并且编码器安装已经过验证，则输入到驱动器中的电机数据可能不正确。 公式 8 适用于所有 PM 同步交流电机，应根据铭牌电机数据进行验证：

一些电机制造商可能会根据应用降低电机数据。 必须正确调整降额电机数据，以便电机极数保持恒定。 使用图 9 中的电机数据，通过将速度和频率降低两倍，原本打算以 200 fpm 运行的电机可以在应用中以 100 fpm 运行。 重要的是，频率和速度都按相同的系数进行缩放，以确保极数的一致性。

电机相位和编码器安装不正确

在三相交流电机应用中，UVW 电机相位确定旋转方向。 如果电机转向错误，可以交换两相以切换方向。 这在没有编码器的开环感应电机应用中不会出现问题。 但是，当使用绝对编码器时，正确的电机定相会影响编码器的 AB 通道定相。
      电机的 UVW 相位和编码器的 AB 相位是相关的，因此编码器有一个既定的约定，用于增加和减少与电机定子磁场方向一致的位置值。 这种约定通常由编码器制造商用图 10 所示的图表表示。

编码器位置值将根据制造商制定的惯例递增或递减。 当编码器位置值以错误的方向递增或递减时，这会导致电机消耗高电流或不转动。 来自编码器的 AB 通道反馈确定位置值是递增还是递减。 绝对式编码器通常具有增量速度通道，由振幅为 1Vpp 的正弦和余弦波组成，A 和 B 通道的相移为 90°（图 11）。

根据编码器的 AB 相位和已建立的位置递增和递减约定，通道 A 可能“超前”或“滞后”通道 B。

位置值约定也适用于编码器在电机轴上的物理安装。 根据电机和编码器类型，编码器可以安装在电机的任一侧（短轴等）或在电机轴上具有可调节的安装配置。 这将导致位置值递增和递减约定的差异。 推荐的做法是将驱动器和电机一起进行相位调整：UU、VV 和 WW，并根据需要调整 AB 相位。 编码器的 AB 通道可以在接口上进行物理交换，也可以根据驱动器类型通过软件参数设置进行交换。

结语

由于其设计，永磁电机需要 VFD 知道转子相对于定子极对的位置。 正确的编码器安装、对齐、通道定相和电机数据/定相对于最大扭矩输出和无故障运行至关重要。 滑点等编码器问题可能难以诊断，因为它们可能会随着时间的推移逐渐发生或对用户不可见。 但是，使用上述步骤进行故障排除可以快速识别编码器问题。