永磁交流伺服電機的編碼器相位為何要與轉子磁極相位對齊？其唯一目的就是要達成矢量控制的目標，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定子繞組產生的電磁場始終正交于轉子永磁場，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），達成FOC控制目標的外在表現就是永磁交流伺服電機的“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的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，就可以達成FOC控制目標，使永磁交流伺服電機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化為編碼器相位與反電勢波形相位的對齊關系；另一方面，電角度也是轉子坐標系的d軸（直軸）與定子坐標系的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，歐美廠商習慣于采用給電機的繞組通以小于額定電流的直流電流使電機轉子定向的方法來對齊編碼器和轉子磁極的相位。當電機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（轉子）磁體坐標系的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，這樣就實現了轉子空載定向時a軸（U軸）或α軸與d軸間的對齊關系。 此時相位對齊到電角度0度，電機繞組中施加的轉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）是并聯關系，流經b相（V相）和c相（W相）的電流有可能出現不平衡，從而影響轉子定向的準確性。 實用化的轉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，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）30度的電角度位置上，如圖所示：

圖4 上述兩種轉子定向方法對應的繞組相反電勢波形和線反電勢，以及電角度的關系如下圖所示，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）30度的電角度位置，即對齊到-30度電角度點：

圖5 上述兩種轉子定向方法在dq轉子坐標系和abc （UVW）或αβ定子坐標系中的矢量關系如圖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。對齊方法是對電機繞組施加電角度相位固定為-90度的電流矢量，空載下電機轉子的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。對齊方法是對電機繞組施加電角度相位固定為-60度的電流矢量，空載下電機轉子的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關系。

審核編輯 ：李倩