《永磁交流伺服電機(jī)位置反饋傳感器檢測相位與電機(jī)磁極相位的對齊

1、近半年前，一位業(yè)內(nèi)工程師結(jié)合其在研項(xiàng)目和本人在論壇發(fā)表的永磁交流伺服電機(jī)位置反饋傳感器檢測相位與電機(jī)磁極相位的對齊方式 【原創(chuàng)】 一帖來email與本人探討電機(jī)電角度零點(diǎn)的問題，由于該問題涉及電角度相位和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間的關(guān)系，而這一點(diǎn)又恰恰是本人在那個(gè)貼子中并未完全理清楚的遺留問題，所以一擱就是半年，直到前一陣子才借故終于把這一問題理清了一些頭緒，其實(shí)本人一直覺得在電角度問題上總是或多或少地存在著常理常清，不常理則常不清的痼疾，因此覺得確實(shí)有必要將這些許心得整理出來。首先定義流經(jīng)電機(jī)繞組的相電流的正方向、相電流矢量的正方向、以及電機(jī)電角度的增加方向： 1，流經(jīng)電機(jī)繞組的相電流的正方向是以電流

2、流入電機(jī)為正，例如：Ia0， 表示該時(shí)刻的電流Ia流向是從驅(qū)動(dòng)器a或U相端子流入電機(jī)a相，在電機(jī)內(nèi)部是由a相接線端流入中線，Ib,Ic0，表示該時(shí)刻的電流Ib,ic的流向是從電機(jī)內(nèi)部的中線是經(jīng)由b,c相接線端流出到驅(qū)動(dòng)器的b,c或V,W相端子，如圖1中黑色箭頭所示； 圖 1 2，相電流矢量與電流方向的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：各相電流為正時(shí)，則a,b,c相電流產(chǎn)生的磁場矢量的正方向如圖1中紅色箭頭所示； 3，電機(jī)電角度的定義為當(dāng)a,b,c三相反電勢波形的相位關(guān)系為a相領(lǐng)先于b相120度、b相領(lǐng)先于c相120度時(shí)a相反電勢波形的相位角，如圖2所示。通常是面向電機(jī)法蘭安裝面和電機(jī)軸，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸，以觀察三相

3、反電勢波形的相序關(guān)系，故在此默認(rèn)電機(jī)電角度的增加方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，在圖1和后續(xù)圖示中亦然。 圖 2 1.電機(jī)電角度初始相位錯(cuò)位180 度電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向互反有一段時(shí)間，自行安裝編碼器的兩臺(tái)試驗(yàn)電機(jī)在相同的程序控制下，轉(zhuǎn)向卻不同，開始只是覺得奇怪，后來就干脆將其當(dāng)作“靈異”事件不了了之了。終于有一天，借機(jī)深究了一下這個(gè)貌似奇怪的問題。兩臺(tái)電機(jī)的相位對齊結(jié)果都是增量編碼器的Z信號(hào)與UV線反電勢波形的過零點(diǎn)基本對齊，默認(rèn)的對齊原則上都是Z信號(hào)對齊于-30度電角度。逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)其中一臺(tái)電機(jī)的軸，UV線反電勢波形在Z信號(hào)處由低到高過零，如圖3中(a-b)曲線在-30度電角度處所示：圖 3順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)該電

4、機(jī)軸，UV線反電勢波形在Z信號(hào)處同樣是由低到高過零，如圖4中(a-b)曲線在 Z 處所示： 圖 4這一現(xiàn)象乍一看有些出乎預(yù)料，仔細(xì)分析下來不難發(fā)覺其實(shí)這完全符合反電勢的生成機(jī)理。雖然逆時(shí)針和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，UV線反電勢波形在Z信號(hào)處的過零方向相同，但是逆時(shí)針和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)正如圖3和圖4所示的相序那樣三相線反電勢波形之間的領(lǐng)先滯后關(guān)系確實(shí)有所不同。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三相線反電勢相序的領(lǐng)先滯后關(guān)系如圖3所示，a-b領(lǐng)先于b-c，b-c領(lǐng)先于c-a；順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相序的領(lǐng)先滯后關(guān)系則如圖4所示，a-b領(lǐng)先于c-a，c-a領(lǐng)先于b-c。也就是說，轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，三相反電勢波形波形并不是簡單的反向，而是改變了相

5、序間的領(lǐng)先滯后關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)另一臺(tái)電機(jī)軸時(shí)發(fā)現(xiàn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，UV線反電勢波形在Z信號(hào)處由高到低過零，如圖3中150度電角度處所示；順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，UV線反電勢波形在Z信號(hào)處同樣是由高到低過零，如圖4中 Z 處所示。由此可見兩臺(tái)電機(jī)的對齊的結(jié)果是電角度相位剛好互差180度。 兩臺(tái)電機(jī)的反電勢相序互差180度的結(jié)果表明最初對齊電角度相位時(shí)，通入兩臺(tái)電機(jī)UV相的轉(zhuǎn)子定向電流方向應(yīng)該是正好搞反了，一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子定向電流是U入V出，如圖5中左圖所示，轉(zhuǎn)子的d軸定向于 -30 度電角度，如圖5中右圖示意。圖 5而另一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子定向電流經(jīng)V入U(xiǎn)出，如圖6中左圖所示，轉(zhuǎn)子的d軸定向于150度電角度，如圖6中右圖示

6、意。 圖 6將編碼器Z信號(hào)對齊在轉(zhuǎn)子定向電流經(jīng)U入V出的電機(jī)的定向點(diǎn)處，即將Z信號(hào)對齊于電機(jī)的-30度電角度，對齊后旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸，可見UV線反電勢波形在 Z 信號(hào)處由低到高過零，如圖3中 -30 度電角度處和圖4中 Z 點(diǎn)處所示。將將編碼器Z信號(hào)對齊在轉(zhuǎn)子定向電流經(jīng)V入U(xiǎn)出的電機(jī)的定向點(diǎn)處，即將Z信號(hào)對齊于電機(jī)的150度電角度處，對齊后旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸，可見UV線反電勢波形在 Z 信號(hào)處由高到低過零，如圖3中150度電角度處和圖4中 Z 點(diǎn)處所示。 可見相位對齊后，兩臺(tái)電機(jī)的電角度相位剛好互錯(cuò)180度。以圖2中電角度0點(diǎn)對應(yīng)的相電流施加于對齊方式如圖5所示的對齊到-30度電角度的電機(jī)的定子繞組，經(jīng)矢量

7、變換得到的Iq電流矢量的方向處于q軸的負(fù)方向，如圖7所示，這一點(diǎn)必須引起注意！ 圖 7 由于此時(shí)定子繞組產(chǎn)生的電場矢量方向在順時(shí)針方向正交于轉(zhuǎn)子永場矢量方向，因而會(huì)吸引轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由此可見，當(dāng)電機(jī)的電角度增加方向如圖2和圖1約定的那樣逆時(shí)針增長，則給對齊方式如圖5所示對齊到-30度電角度的電機(jī)施加相序關(guān)系如圖2所示的三相電流波形時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向并不非順著電角度的增量方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而是與電角度的增加方向相反，即順時(shí)針反向旋轉(zhuǎn)。 同樣，以圖2中電角度0點(diǎn)對應(yīng)的三相電流施加于施加于對齊方式如圖6所示的對齊到150度電角度的電機(jī)的定子繞組，雖然經(jīng)矢量變換得到的Iq電流矢量的方向仍舊處于q軸的

8、負(fù)方向，但此時(shí)轉(zhuǎn)子的真實(shí)q軸卻位于矢量變換計(jì)算所用的q軸的反方向上，如圖8所示，位于180度電角度方向上，即圖8所示的D 方向。 圖 8此時(shí)定子繞組產(chǎn)生的電場矢量方向在逆時(shí)針方向正交于轉(zhuǎn)子永場矢量方向，因而會(huì)吸引轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此可見，當(dāng)電機(jī)的電角度增加方向逆時(shí)針增長，以圖2所示的三相電流波形施加于對齊方式如圖5所示的對齊到150度電角度的電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向確實(shí)會(huì)沿著電角度的增量方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 2. 給定電流相序錯(cuò)位180度電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向互反如果將圖2所示的三相電流在幅值上直接取反，則可以得到如圖9所示的三相電流相序。對比圖2和圖9可知，兩圖中的三相電流相序的領(lǐng)先滯后關(guān)系完全一致，但在三

9、相電流波形的幅值上，圖9與圖2恰好互反，而在相位上圖9中的波形相序等價(jià)于圖2中以180度電角度為起點(diǎn)的相序循環(huán)，也就是說圖9和圖2中的三相電流波形恰好在相位上互差了180度。圖9以圖9所示的三相電流相序中電角度0點(diǎn)對應(yīng)的三相電流施加于對齊方式如圖5所示的對齊到-30度電角度的電機(jī)的定子繞組，經(jīng)矢量變換得到的Iq電流的方向處于q軸的正方向，如圖10所示：圖10此時(shí)定子電磁矢量方向在逆時(shí)針方向正交于轉(zhuǎn)子永磁矢量，會(huì)吸引轉(zhuǎn)子朝著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。由于圖9所示的電流相序映射到圖10中對應(yīng)的電機(jī)電角度時(shí)，其電角度依然是沿著逆時(shí)針方向增加，在此種情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會(huì)順著電角度的增加方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 由

10、于圖2和圖9兩圖中的三相電流相序的領(lǐng)先滯后關(guān)系完全一致，但是兩者的三相電流波形相位上互差了180度，施加于對齊方式相同的電機(jī)或者同一臺(tái)電機(jī)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也恰好互反。 3. 電流采樣方向顛倒未必會(huì)引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向變化目前在伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中廣泛采用磁平衡式霍爾元件或者毫歐級(jí)大功率精密電阻作為電流傳感器，此類傳感器的電流采樣方向搞反了會(huì)直接影響繞組相電流瞬時(shí)反饋值的正負(fù)方向，正如圖2和圖9中標(biāo)識(shí)的相同電角度處的電流值的正負(fù)互反關(guān)系所表示的那樣，并進(jìn)而造成三相連續(xù)反饋電流波形在相位上互差180度，不過并不會(huì)影響三相電流相序間的領(lǐng)先滯后關(guān)系。在矢量變換環(huán)節(jié)，由于相電流反饋值符號(hào)翻轉(zhuǎn)，會(huì)造成Iq

11、和Id電流的符號(hào)反轉(zhuǎn)，為實(shí)現(xiàn)Iq和Id電流的負(fù)反饋閉環(huán)控制，就必須在Iq和Id反饋電流與指令電流的符號(hào)上尋求統(tǒng)一。例如，以圖2中所示相序的三相電流施加到如圖5所示的對齊到-30度電角度的電機(jī)上，電機(jī)會(huì)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如果電流采樣方向與電流流向一致，則經(jīng)過矢量變換后得到的Iq反饋電流矢量始終處于q軸的負(fù)方向，如圖7所示，也就是Iq電流為負(fù)值；如果電流采樣方向與電流流向不一致，則經(jīng)過矢量變換后得到的Iq反饋電流矢量會(huì)始終處于q軸的正方向，如圖10所示，也就是Iq電流為正值。在上述情況下，為取得指令電流符號(hào)與反饋電流符號(hào)的一致，須將電流采樣方向與電流流向一致的驅(qū)動(dòng)器的反饋電流在符號(hào)上取反，而電流采樣方向與電流流向不一致的驅(qū)動(dòng)器的反饋電流則可以直接使用，無需在符號(hào)上取反。這兩種情況下，給定正電流指令，電機(jī)都會(huì)沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。因此，電流采樣方向與電流流向顛倒時(shí)，雖然反饋電流波形會(huì)在總體相位上錯(cuò)位180度，但是只要在算法上妥善處置Iq和Id反饋電流的符號(hào)，就不會(huì)影響電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向?？偨Y(jié) 影響電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與電機(jī)電角