伺服电机UVW动力线相序接错,何以导致飞车? [原创] 点击:35690 | 回复:137



波恩

    
  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-12 17:21:39
楼主

这几天看到一些帖子谈及富士和安川电机UVW动力线相序接错时导致飞车的故障,至于为什么会飞车,本人曾在个别帖子中认为是由于相序接错,导致电角度反转,电流环出现正反馈所致,但并未给出具体的相序分析。今日恰逢工作原因对此问题有所涉及,就仔细考虑了伺服电机UVW动力线相序接错可能导致的电角度偏移关系,感觉有所收获,先将分析结果贴出来与大家分享,如有异议,请不吝指正。

以U-V-W正常接入相序的电角度偏移量为0考虑,则

U-W-V相序的电角度偏移量为180度,恰好反向,Iq分量完全反转,完全正反馈,若伺服无正反馈检测机制,必然飞车;

V-W-U相序的电角度偏移量为120度,相位偏移超出90度,Iq分量符号反转,进入正反馈区;

V-U-W相序的电角度偏移量为300度,即-60度,相位偏移,Iq分量减半,出力明显变小,可导致实际电流变大,电机严重发热;

W-U-V相序的电角度偏移量为240度,即-120度,相位偏移超出-90度,Iq分量符号反转,进入正反馈区;

W-V-U相序的电角度偏移量为60度,相位偏移,Iq分量减半,出力明显变小,可导致实际电流变大,电机严重发热。

 

【9月18日 修订稿】

【2009年1月6-7日 修订补充】

本贴自发布之后,得到诸位网友的热情回复,其中也有不少不同意见,其中“当时明月在”的质疑和“bookujsnj”的当头棒喝非常好,令本人着手重新审视这个议题,巾帼这几日的仔细推敲,确实发现原结论的不少问题,在此本人对原贴出现的错误分析和观点,以及由此造成的误导深表不安和歉意!并感谢“当时明月在”和“bookujsnj”等网友的指正。现将最新看法整理如下:

 

本讨论的前提是:假定电机编码器初始安装相位正确,伺服驱动器将完全“采信”电机编码器的初始安装相位所表征的电机电角度相位,无需在伺服电机的UVW动力线接线连接后进行额外的电角度初始相位的调整或辨识,这一点也是目前绝大多数成套供应的泛用伺服系统的实际处理方式。

 

电机的UVW三相动力线与驱动器的UVW三相接线端子之间可能的连接关系共有六种,以驱动器接线端的UVW顺序为正确接入相序,则电机动力线接入驱动器端子后,包括一一对应的“正常接入相序”电机UVW对驱动器UVW在内,根据排列组合,共有6种可能的接入顺序,分别为电机的UVW,UWV,VWU,VUW,WUV,WVU动力线对驱动器的UVW端子,因此驱动器的U、V、W端子有可能分别被接入了电机的U或V或W相动力线。由于电机的动力线上的反电势相位代表了电机的实际电角度,而驱动器的UVW端子的输出电压电流波形间的相位取决于电机编码器相位所表示的确定相序的电角度,因而,在电机动力线的UVW相与驱动器的UVW端子之间的对应关系不同时,就会出现驱动电压电流波形相位与电机反电势相位之间的偏差,有关偏差如下:

 

 

以电机动力线相序UVW对驱动器UVW接线端一一对应“正常接入”的相序为参考相序,按照三相交流电的一般相位关系,U领先V120度,V领先W120度,即U领先W240度,则有:

  

  

U-V-W正常接入相序。

电角度偏移量为0,电角度增量为+Δθ,后续电角度可表示为:+Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从270度正向递增,在d-q坐标系中的电流矢量角始终指向270方向,实现正交解耦。

此时伺服控制始终处于完全正交解耦的最佳状态。

电流环和速度环都运行正常。

 

  

U-W-V相序,U正确,W、V互反。

电角度偏移量为180度,电角度增量为 -Δθ,后续电角度可表示为:180 - Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从90度反向递减,在d-q坐标系中的电流矢量角由90方向2倍递减,起始方向偏离原正交方向(270度)180度正交于d轴,并逐步该偏离正交方向趋向d轴方向(0度)。

由于电机电角度增量方向与驱动矢量方向逆转,因而Iq分量是cos(180-2Δθ)的函数,90方向的起始相位恰好反向,Iq分量反转180度,在电流环下,电机瞬间反转,随着电机的转动,Iq分量迅速出现零值,并最终锁死于该点。速度环运行模式下,同样会瞬动后锁死。

 

   

V-W-U相序,电机与驱动器的各相顺序错位。

电角度偏移量为+120度,电角度增量为 +Δθ,后续电角度可表示为:120 + Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从30度正向递增,在d-q坐标系中电流矢量角始终指向30方向,偏离原正交方向(270度方向)+120度。

由于电机电角度增量方向与驱动的一致,Iq分量为cos(120)=-0.5,符号反转,在电流环下,电机反转,力矩有所减小。速度环运行模式下,速度正反馈飞车。

 

 



当时明月在

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 138回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:533
  • 注册:2006年6月21日
发表于:2008-09-17 08:32:43
21楼

对于电机的w与pe接反仍然运转的情况,我也遇到过。

因为系统的PE一般都是连接在一起,单点接地的。电机接PE,除了动力线中的PE线以外,还通过机壳和编码器电缆与PE连接。将PE与W接反,就相当于将电机侧的W相和驱动器侧的W相都接到了PE上。此时回路是驱动器W -> 电机PE -> 驱动器PE -> 电机W,因此基本的电气关系(关系强弱似乎与接地系统的具体连接方式有关,如果伺服侧W相直接引入大地,电机可能就不会运转并导致跳闸)还存在,只是此时W相阻抗已经变化,三相不平衡,即使电机运转,其转速也非常不平稳,会有明显振动,且电机电流偏大,发热高。~~~

以上是我的分析,不妥之处恳请大家赐教。

当时明月在

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 138回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:533
  • 注册:2006年6月21日
发表于:2008-09-17 08:38:38
22楼

to 21楼:

模拟量接错线的情况一般不是因为正反馈,而是模拟量输入过大造成。

如当10V输入表示3000rpm时,对于正常运行只有2000rpm左右的电机,当模拟量接错,致使10V直接接入模拟量输出端时,我们就会看到类似飞车的现象了。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-17 09:21:30
23楼

to"vesgine": 是这样的链接关系。另,所谓电角度偏移,是交流伺服的矢量控制中所用的矢量角的初始值,这个初始值与UVW的接入相序,编码器的初始安装相位等都有关系。

 

to“Thomass8032”: 个人以为伺服会出现飞车,只能说明它没有正反馈保护机制。

 

“当时明月在”的质疑,“bookujsnj”的当头棒喝非常好!本人确实已开始重新审视这个论题,同时一欢迎大家进一步针对该问题发表意见,以便尽快弄清楚问题。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-17 09:53:36
24楼

将PE与W接反,就相当于将电机侧的W相和驱动器侧的W相都接到了PE上。此时回路是驱动器W -> 电机PE -> 驱动器PE -> 电机W,因此基本的电气关系(关系强弱似乎与接地系统的具体连接方式有关,如果伺服侧W相直接引入大地,电机可能就不会运转并导致跳闸)还存在,只是此时W相阻抗已经变化,三相不平衡

 

===========================================================

分析得相当精彩!顶!

死亡骑士

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:6帖 | 1774回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:2630
  • 注册:2006年7月17日
发表于:2008-09-17 10:24:31
25楼

波恩兄真是虚怀若谷              

李纯绪

  • [版主]
  • 精华:9帖
  • 求助:1帖
  • 帖子:118帖 | 8884回
  • 年度积分:2464
  • 历史总积分:86724
  • 注册:2006年10月09日
发表于:2008-09-17 11:17:28
26楼

  这个问题没必要分析到电机的电角度。交流伺服的闭环反馈控制中,电流环是正反馈,是为提高带载能力。速度环(位置环)是负反馈,是为精确控制速度(位置)。电机相序接反就相当于速度环变为正反馈,正反馈的结果就是上电后电机的转速越来越高,即所谓的飞车,因有正反馈的电流环,电流也会迅速升高,达到过电流保护值时,驱动器保护动作,这些动作是在极短时间内。所以当接反相序时,其现象不是飞车,而是电机抖动一下,驱动器报警。

刘志斌

  • 精华:5帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:346帖 | 35827回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:75384
  • 注册:2006年7月30日
发表于:2008-09-17 11:40:43
27楼

1、伺服飞车,大多数情况应该是速度反馈回路的错误所致;

2、例如速度反馈回路接地开路故障等;

3、如果维修时,速度反馈回路接线错误,导致速度反馈极性反相;

pingfansuwang

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 2回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:4
  • 注册:2006年6月03日
发表于:2008-09-17 11:46:29
28楼
回复内容:
对:当时明月在 关于

对于电机的w与pe接反仍然运转的情况,我也遇到过。

因为系统的PE一般都是连接在一起,单点接地的。电机接PE,除了动力线中的PE线以外,还通过机壳和编码器电缆与PE连接。将PE与W接反,就相当于将电机侧的W相和驱动器侧的W相都接到了PE上。此时回路是驱动器W -> 电机PE -> 驱动器PE -> 电机W,因此基本的电气关系(关系强弱似乎与接地系统的具体连接方式有关,如果伺服侧W相直接引入大地,电机可能就不会运转并导致跳闸)还存在,只是此时W相阻抗已经变化,三相不平衡,即使电机运转,其转速也非常不平稳,会有明显振动,且电机电流偏大,发热高。~~~

以上是我的分析,不妥之处恳请大家赐教。

内容的回复:
你的观点我有些赞同,相线与PE接错在一定状态下是会启动,但一定会过热的

vesgine

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:20帖 | 90回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:513
  • 注册:2005年8月29日
发表于:2008-09-17 12:49:35
29楼
对:波恩 关于

to"vesgine": 是这样的链接关系。另,所谓电角度偏移,是交流伺服的矢量控制中所用的矢量角的初始值,这个初始值与UVW的接入相序,编码器的初始安装相位等都有关系。


 

 

我的理解:电机的UVW的相序关系是相对的,因此驱动器的UVW和电机的UVW接线只有两种形式,一是正常相序,另一种就是相序接反。怎么会出现您一开始提到的6种情况?

关于飞车问题,我基本同意28楼的观点。

内容的回复:

vesgine

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:20帖 | 90回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:513
  • 注册:2005年8月29日
发表于:2008-09-17 13:09:24
30楼
回复内容:
对:波恩 关于

补充一点: 在上述分析中,所谓“正常接入相序”的U-V-W之间的相位关系为V领先U120度,W领先V120度,即W领先U240度。


再补充一点:在上述讨论中,假定电机编码器初始安装相位正确,伺服驱动器采信电机编码器的初始安装相位,不通再过伺服电机的UVW动力线检测或调整电角度初始相位,目前绝大多数泛用伺服的实际处理方式都符合该假设。

 


"伺服驱动器采信电机编码器的初始安装相位,不通再过伺服电机的UVW动力线检测或调整电角度初始相位,目前绝大多数泛用伺服的实际处理方式都符合该假设。"

这句话是不是有几个字敲错了,呵呵,我怎么读不通呢

内容的回复:

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-17 13:57:01
31楼

“不通再过”笔误,应修改为“不再通过”

 

本人也基本上同意“李纯绪”关于伺服飞车的总体看法,但是需要指出的是,伺服的电流环与速度环一样,在正常操作模式下都是负反馈机制,UVW动力线相序错接有可能导致的飞车现象的根本原因还是在于电流矢量的相位反转,引发了外环,即速度环的正反馈,速度环正反馈进而引发电流环给定饱和,最终伺服因过载而报错停车。

piston

  • 精华:0帖
  • 求助:1帖
  • 帖子:23帖 | 13107回
  • 年度积分:18
  • 历史总积分:40065
  • 注册:2009年5月22日
发表于:2008-09-17 14:05:47
32楼

伺服相序接错会导致伺服电机飞车,如果电机轴上已经连接负载,就可能导致进一步的严重后果-----神舟二号宇宙飞船总装配阶段就出现过接错伺服电机线导致的飞车,当时是火箭垂直运输台车的驱动电机飞车,导致长二捆火箭箭体被撞坏,几乎延误了神舟飞船的顺利发射。

piston

  • 精华:0帖
  • 求助:1帖
  • 帖子:23帖 | 13107回
  • 年度积分:18
  • 历史总积分:40065
  • 注册:2009年5月22日
发表于:2008-09-17 14:06:26
33楼

伺服相序接错会导致伺服电机飞车,如果电机轴上已经连接负载,就可能导致进一步的严重后果-----神舟二号(抑或四号,记不太清楚了)宇宙飞船总装配阶段就出现过接错伺服电机线导致的飞车,当时是火箭垂直运输台车的驱动电机飞车,导致长二捆火箭箭体被撞坏,几乎延误了神舟飞船的顺利发射。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-17 14:46:21
34楼

神舟还经历过这等磨难!可见飞车的为害之大!

 

to"vesgine":  “我的理解:电机的UVW的相序关系是相对的,因此驱动器的UVW和电机的UVW接线只有两种形式,一是正常相序,另一种就是相序接反。怎么会出现您一开始提到的6种情况?”———绝大多数泛用伺服驱动器的UVW接线端都是要求与伺服电机的UVW动力线严格对应的,尤其是成套供应的日系伺服系统莫不如此。至于为什么是6种,这是3对3连接关系的排列组合结果。

to“xzy568”:个人认为伺服一般无法直接检测出这两种状态,除非做电机电角度初始化确认,不过这种操作一般只在初次安装和维修之后采用,不会每次上电都做。但是设计合理的伺服应该具备正反馈故障检测,而且多数伺服具备过流和过载保护,超速保护等功能,可以间接起到保护作用。

hcy0123456

  • 精华:0帖
  • 求助:1帖
  • 帖子:40帖 | 419回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:1351
  • 注册:2008年3月29日
发表于:2008-09-17 19:10:19
35楼
同意28楼的看法。我经历过这种事。现在想起来是贼么回事。

Thomas8032

  • 精华:1帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:21帖 | 100回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:428
  • 注册:2004年7月08日
发表于:2008-09-17 20:52:58
36楼
谢谢28楼的解释。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-09-18 11:41:12
37楼

(整理至首帖)

vesgine

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:20帖 | 90回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:513
  • 注册:2005年8月29日
发表于:2008-09-18 12:18:58
38楼

还是不明白为什么要严格对应

“U-V-W之间的相位关系为V领先U120度,W领先V120度,即W领先U240度。”

那么,也可以这样理解,W领先V120度,U领先W120度,即U领先V240度。也就是说,将上句话中的U-V-W轮换为V-W-U,并没有改变实际相序,从而如果将驱动器的UVW接入电机的VWU,电机的运转情况应该是一样的吧。

欢迎指正!

刘志斌

  • 精华:5帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:346帖 | 35827回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:75384
  • 注册:2006年7月30日
发表于:2008-09-18 12:41:11
39楼

楼上的观点有错误:

1、从转向来说,你说的是对的;

2、从初始状态及定位控制来说,你的说法有误;

刘志斌

  • 精华:5帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:346帖 | 35827回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:75384
  • 注册:2006年7月30日
发表于:2008-09-18 12:47:14
40楼

伺服电机飞车,正反馈可以造成飞车,负反馈也可以造成飞车,都可以通过过流保护停车保护!


热门招聘