伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向

1、永磁交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與電機(jī)電角度增加方向之間的關(guān)系原創(chuàng) 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

2、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流入電機(jī)為正，例如：Ia>0， 表示該時(shí)刻的電流Ia流向是從驅(qū)動器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,Ic<0，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

3、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。兩臺電機(jī)的相位對齊結(jié)果都是增量編碼器的Z信號與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信號對齊于-30度電角度。逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)其中一臺電機(jī)的軸，UV線反

4、電勢波形在Z信號處（即U信號上升沿）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)該電機(jī)軸，UV線反電勢波形在Z信號處（即U信號下降沿）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)動時(shí)，UV線反電勢波形在Z信號處的過零方向相同，但是逆時(shí)針和順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)正如圖3和圖4所示的相序那樣UV線反電勢波形與編碼器U信號的相位關(guān)系或正負(fù)關(guān)系恰好相反。而且三相線反電勢波形之間的領(lǐng)先滯后關(guān)系也有所不同，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，三相

5、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，而是改變了相序間的領(lǐng)先滯后關(guān)系。 旋轉(zhuǎn)另一臺電機(jī)軸時(shí)發(fā)現(xiàn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，UV線反電勢波形在Z信號處（即U信號下降沿）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，UV線反電勢波形在Z信號處（即U信號上升沿）同樣是由高到低過零，如圖4中 Z 處所示。由此可見兩臺電機(jī)的對齊的結(jié)果是電角度相位剛好互差180度。 兩臺電機(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

6、時(shí)，通入兩臺電機(jī)UV相的轉(zhuǎn)子定向電流方向應(yīng)該是正好搞反了，一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子定向電流是V(b)入U(xiǎn)(a)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，此圖中d軸落在S極上，而不是N極，這一點(diǎn)與本人一直以來認(rèn)為的d軸須落在N極上的觀點(diǎn)恰好相悖（歡迎斧正?。D 5而另一臺電機(jī)的轉(zhuǎn)子定向電流經(jīng)U(a)入V(b)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中右圖示意，本帖將在后面的討論中統(tǒng)一把d軸標(biāo)在S極上。 圖 6將編碼器Z信號對齊在轉(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

7、信號處由低到高過零，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，兩臺電機(jī)的電角度相位剛好互錯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（V入U(xiǎn)出定向）的電機(jī)的定子繞組，經(jīng)矢量變換得到的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逆時(shí)針方向正交于

8、轉(zhuǎn)子永場矢量方向，因而會吸引轉(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（V入U(xiǎn)出定向）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)動方向?qū)㈨樦娊嵌鹊脑隽糠较蚰鏁r(shí)針旋轉(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（U入V出定向）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，即圖中所示的D 方向。 圖 8 此時(shí)定子繞

9、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6所示的對齊到150度電角度（U入V出定向）的電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向不是沿著電角度的增量方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而是會和電角度的增加方向相反，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 2. 給定電流相序錯位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

10、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（V入U(xiǎn)出定向）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順時(shí)針方向正交于轉(zhuǎn)子永磁矢量，會吸引轉(zhuǎn)子朝著順時(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)動方向卻是逆著電角度的增加方向，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 由于圖2和圖9兩圖中的三相電流相序的領(lǐng)先滯后關(guān)

11、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)或者同一臺電機(jī)時(shí)，會導(dǎo)致電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向也恰好互反，正如圖7和圖10所示意的那樣。 3. 電流采樣方向顛倒未必會引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向變化目前在伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)中廣泛采用磁平衡式霍爾元件或者毫歐級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翻轉(zhuǎn)，會造成Iq和Id電流的符

12、號反轉(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（V入U(xiǎn)出定向）的電機(jī)上，電機(jī)會逆時(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反饋電流為負(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反饋電流矢量會始終處于q軸的正方向，可參看圖10中所示的那樣，即Iq電流為正值。在上述情況下，為取得指令電流符號與反饋電流符號的一致，須將電流采樣方向與電流流向一致情況下的反饋電流在符號上取反，而電流采樣方向與電流流向不一致情況下的反饋電流則可以直接使用，無需在符號上取反。在這兩種情況下，給定正電流指令，電機(jī)都會沿逆時(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在總體相位上錯位180度，但實(shí)際施加給電機(jī)的電磁矢量還是一樣的，因此只要在算法上妥善處置Iq和Id反饋電流的符號，保持反饋電流與指令電流的符號相一致，就不會影響電機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方