[科普中国]-电角度

电角度是实际的空间几何角度。

电机每对极在定子内圆上所占的角度360°/p指的是实际的空间几何角度，这个角度被称为机械角度。在四极及以上极数的电机中常常把一对极所占的机械角度定义为360度电角度，这是因为绕组中感应电势变化一个周期为360°。对于两极电机，其定子内圆所占电角度和机械角度相等均为360°；而p对极电机, 其定子内圆全部电角度为360°·p，但机械角度却仍为360°。所以二者存在以下关系：

电角度=机械角度×极对数

常用的三相无刷直流电动机，一般有3个位置传感，输出波形有两种：一种是相位差60°电角度，另一种是相位差120°电角度。例如，1对磁极，相位差120°电角度，则3个位置传感器的空间间隔为120°机械角度；2对磁极，相位差为60°电角度，则3个位置传感器的空间间隔为30°机械角度。

极相组按电角度连接方法的分析对中小型三相异步电动机定子绕组损坏的原因和绕组形式以及极相组接线进行了阐述和分析，提出了按180°电角度完成极相组连接的方法。1

计算参数电动机在定子绕组嵌线前，都应通过资料或计算出绕组的有关资料。1

相绕组首端位置的确定和极相组的构成绕组嵌线完毕后，依据槽距角α进行各相绕组首端的确定和极相组的构成。为了满足绕组的对称，各相首端在空间上应相隔120°电角度，但在实际生产中各相首端的位置从工艺上考虑，总希望所有引出线都集中在机座上出 线口附近。这时三相绕组引出线之间可能并不差120°电角度，而只要保证每相绕组中电流方向和大小不变即可。首端位置确定后即可分别按槽距180°电角度完成各相极相组间连接，构成极相组。如先接A相再接B相，最后接C相。1

实例分析首先将每极下同相线圈串联起来构成极相组，同相线圈按电势相加原理来接线，如头 —头相连、尾 —头相连 ，然后再将极相组连接起来构成相绕组。相绕组的连接还可按槽距180°电角度规律来进行接线。先确定某个极相组线圈的一端定为A相首端，然后找到这个极相组线圈的另一 端，并从这个线端所在的槽位，以槽距角30°为基数 ，顺序查找槽距180°电角度的槽位，可找到第二个极相组线圈的一个引线端，这个极相组必然属于A相，将这两个线端进 行连接。再找出第二个极相组线圈的另 一个引线端，从这个引线端所在的槽位开始顺次查找槽距180°电角度的槽位，可找到第三个极相组的引线端，并把这两个引线端连接起来，依据同样的方法，可将属于A相的其它极相组连接起来，尾端引出，构成A相绕组。

B相和C相绕组的构成与A相相同，只是在定子内部空间分别相差120°和240°电角度。1

接线原理以定子槽数Z=18，磁极数2p=4，相数m=3的电机为例：各相绕组在铁芯槽中排列时，相隔180°电角度的两槽圈边必为同一相，由此极相组相隔180°电角度相连接，就可以达到相邻两极相组的电流流向相反，产生异性磁极 。换句话说，同相绕组的各个有效边在同性磁极下电流流向相同，在异性磁极下同向绕组线圈中电流应反向，只要符合这一 规律，接线才为正确。提出的按槽距180°电角度完成极相组连接方法，即符合上述原理。

绕组端部的接线方式是由磁极极性来决定的，绕组接线的行进方向必须符合绕组内电流方向，要使电流都相加，而不能互相抵消。1

矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定介绍了永磁同步直线电机的结构。根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。2

电机初始寻相的实现直线电机在起动时，动子的位置具有不确定性。直线伺服系统中 一般采用增量式光栅尺作为位置传感器，无法确定动子的绝对位置及电机的初始相位角。对于直线伺服系统一般还需要一个确定的机械零点；对于增量式系统，每次上电后都需要进行回零点操作，之后才能建立起坐标系统。

为了让直线电机有一个确定的机械零点，可以在直线电机端部安装 一个接近开关，保证在接近开关能检测到的范围内光栅尺有一 个Z轴脉冲。将光栅尺的Z轴脉冲和接近开关的输出信号进行逻辑与，用此信号控制计数器的复位。系统上电后直线电机以一定的速度向零点运动，当系统检测到电机端部的Z轴脉冲时，计数器复位信号有效，计数器清零，此时电机所在的位置即为零点。

电机的零点确定后，可以用实验的方法确定电机在零点处d轴与A轴之间的电角度，并以此角度作为初始电角度。在初始定位阶段由于U和 U- 都是定值，即给电机施加的是一固定的电压空间矢量，电机的动子会在此电压矢量的作用下运动到与之重合的位置。此时电机的初始电角度为90。，这就是矢量控制的初始电角度，而此时的位置也就是电机的初始位置。当给电机施加直流电压时，动子绕组中的电流会很大，因此要控制施加的直流电压的幅值和时间。为了避免给电机施加直流电压时加速度过大，可以采用缓慢升高直流电压幅值的方式。2

电机电角度的测定精确获得了电机初始相位之后，还需要在电机运动过程中方便、准确的确定其电角度。根据电机原理可知， 电机一对极距对应的电角度为360。。对于直线电机，动子移动的距离和电角度的变化量成正比，因此可以根据增量式光栅尺反馈的位置信息来间接计算电机的电角度。2

永磁同步直线电机硬件系统，可以使用芯片LS7266的B通道测定电机的电角度。把该通道的周期寄存器的值设为电机一对极距对应的光栅尺的脉冲数，并根据初始电角度设置计数器的初始值。如果电机电角度增大时，计数器的计数值也增大。反之，如果电机电角度减小时，计数器的计数值也减小。

根据永磁同步直线电机的特点，结合接近开关和光栅尺的z轴脉冲来确定机械零点，进而获得初始相位。 以此为基础，再利用工控芯片LS9266来计算电机在运行过程中的电角度。实验证明， 提出的方法帮助直线电机矢量控制系统取得了良好的控制效果。2

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何星 - 副教授 - 上海交通大学