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永磁交流伺服电机的旋转方向与电机电角度增加方向之间的关系[原创] 点击:0 | 回复:84



波恩

    
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发表于:2009-11-10 21:35:00
楼主
近半年前,一位业内工程师结合其在研项目和本人在论坛发表的《永磁交流伺服电机位置反馈传感器检测相位与电机磁极相位的对齐方式 【原创】 》一帖来email与本人探讨电机电角度零点的问题,由于该问题涉及电角度相位和电机转动方向之间的关系,而这一点又恰恰是本人在那个贴子中并未完全理清楚的遗留问题,所以一搁就是半年,直到前一阵子才借故终于把这一问题理清了一些头绪,其实本人一直觉得在电角度问题上总是或多或少地存在着常理常清,不常理则常不清的痼疾,因此觉得确实有必要将这些许心得整理出来。

 

首先定义流经电机绕组的相电流的正方向、相电流矢量的正方向、以及电机电角度的增加方向:

1,流经电机绕组的相电流的正方向是以电流流入电机为正,例如:Ia>0, 表示该时刻的电流Ia流向是从驱动器a或U相端子流入电机a相,在电机内部是由a相接线端流入中线,Ib,Ic<0,表示该时刻的电流Ib,ic的流向是从电机内部的中线是经由b,c相接线端流出到驱动器的b,c或V,W相端子,如图1中黑色箭头所示;

图 1


2,相电流矢量与电流方向的关联关系为:各相电流为正时,则a,b,c相电流产生的磁场矢量的正方向如图1中红色箭头所示;

3,电机电角度的定义为当a,b,c三相反电势波形的相位关系为a相领先于b相120度、b相领先于c相120度时a相反电势波形的相位角,如图2所示。通常是面向电机法兰安装面和电机轴,逆时针旋转电机轴,以观察三相反电势波形的相序关系,故在此默认电机电角度的增加方向为逆时针方向,在图1和后续图示中亦然。

图 2

1.电机电角度初始相位错位180 度电机旋转方向互反 

有一段时间,自行安装编码器的两台试验电机在相同的程序控制下,转向却不同,开始只是觉得奇怪,后来就干脆将其当作“灵异”事件不了了之了。终于有一天,借机深究了一下这个貌似奇怪的问题。

 
两台电机的相位对齐结果都是增量编码器的Z信号与UV线反电势波形的过零点基本对齐,默认的对齐原则上都是Z信号对齐于-30度电角度。逆时针方向旋转其中一台电机的轴,UV线反电势波形在Z信号处(即U信号上升沿)由低到高过零,如图3中ε(a-b)曲线在-30度电角度处所示:

图 3

 

 顺时针方向旋转该电机轴,UV线反电势波形在Z信号处(即U信号下降沿)同样是由低到高过零,如图4中ε(a-b)曲线在 Z 处所示:

 图 4

 

这一现象乍一看有些出乎预料,仔细分析下来不难发觉其实这完全符合反电势的生成机理。虽然逆时针和顺时针转动时,UV线反电势波形在Z信号处的过零方向相同,但是逆时针和顺时针转动时正如图3和图4所示的相序那样UV线反电势波形与编码器U信号的相位关系或正负关系恰好相反。而且三相线反电势波形之间的领先滞后关系也有所不同,逆时针转动时,三相线反电势相序的领先滞后关系如图3所示,a-b领先于b-c,b-c领先于c-a;顺时针转动时,相序的领先滞后关系则如图4所示,a-b领先于c-a,c-a领先于b-c。也就是说,转动方向不同,三相反电势波形波形并不是简单的反向,而是改变了相序间的领先滞后关系。

 

旋转另一台电机轴时发现,逆时针转动,UV线反电势波形在Z信号处(即U信号下降沿)由高到低过零,如图3中150度电角度处所示;顺时针转动,UV线反电势波形在Z信号处(即U信号上升沿)同样是由高到低过零,如图4中 Z’ 处所示。由此可见两台电机的对齐的结果是电角度相位刚好互差180度。


两台电机的反电势相序互差180度的结果表明最初对齐电角度相位时,通入两台电机UV相的转子定向电流方向应该是正好搞反了,一台电机的转子定向电流是V(b)入U(a)出,如图5中左图所示,转子的d轴定向于 -30 度电角度,如图5中右图示意,此图中d轴落在S极上,而不是N极,这一点与本人一直以来认为的d轴须落在N极上的观点恰好相悖(欢迎斧正!)。

图 5

 

而另一台电机的转子定向电流经U(a)入V(b)出,如图6中左图所示,转子的d轴定向于150度电角度,如图6中右图示意,本帖将在后面的讨论中统一把d轴标在S极上。

图 6

 

将编码器Z信号对齐在转子定向电流经V入U出的电机的定向点处,即将Z信号对齐于电机的-30度电角度,对齐后旋转电机轴,可见UV线反电势波形在 Z 信号处由低到高过零,如图3中 -30 度电角度处和图4中 Z 点处所示。将将编码器Z信号对齐在转子定向电流经U入V出的电机的定向点处,即将Z信号对齐于电机的150度电角度处,对齐后旋转电机轴,可见UV线反电势波形在 Z 信号处由高到低过零,如图3中150度电角度处和图4中 Z‘ 点处所示。 可见相位对齐后,两台电机的电角度相位刚好互错180度。

 

以图2中电角度0点对应的相电流施加于对齐方式如图5所示的对齐到-30度电角度(V入U出定向)的电机的定子绕组,经矢量变换得到的Iq电流矢量的方向处于q轴的负方向,如图7所示,这一点必须引起注意!

图 7



由于此时定子绕组产生的电场矢量方向在逆时针方向正交于转子永场矢量方向,因而会吸引转子沿逆时针旋转,由此可见,当电机的电角度增加方向如图2和图1约定的那样逆时针增长,则给对齐方式如图5所示对齐到-30度电角度(V入U出定向)的电机施加相序关系如图2所示的三相电流波形时,电机的转动方向将顺着电角度的增量方向逆时针旋转。

同样,以图2中电角度0点对应的三相电流施加于施加于对齐方式如图6所示的对齐到150度电角度(U入V出定向)的电机的定子绕组,虽然经矢量变换得到的Iq电流矢量的方向仍旧处于q轴的负方向,但此时转子的真实q轴却位于矢量变换计算所用的q轴的反方向上,如图8所示,位于180度电角度方向上,即图中所示的D‘ 方向。

图 8

 

此时定子绕组产生的电场矢量方向在顺时针方向正交于转子永场矢量方向,因而会吸引转子沿顺时针旋转。由此可见,当电机的电角度增加方向逆时针增长,以图2所示的三相电流波形施加于对齐方式如图6所示的对齐到150度电角度(U入V出定向)的电机,电机的转动方向不是沿着电角度的增量方向逆时针旋转,而是会和电角度的增加方向相反,即顺时针旋转。

 

 

2. 给定电流相序错位180度电机旋转方向互反

如果将图2所示的三相电流在幅值上直接取反,则可以得到如图9所示的三相电流相序。对比图2和图9可知,两图中的三相电流相序的领先滞后关系完全一致,但在三相电流波形的幅值上,图9与图2恰好互反,而在相位上图9中的波形相序等价于图2中以180度电角度为起点的相序循环,也就是说图9和图2中的三相电流波形恰好在相位上互差了180度。

图 9

 
以图9所示的三相电流相序中电角度0点对应的三相电流施加于对齐方式如图5所示的对齐到-30度电角度(V入U出定向)的电机的定子绕组,经矢量变换得到的Iq电流的方向处于q轴的正方向,如图10所示:

图 10


此时定子电磁矢量方向在顺时针方向正交于转子永磁矢量,会吸引转子朝着顺时针方向旋转。由于图9所示的电流相序映射到图10中对应的电机电角度时,其电角度依然是沿着逆时针方向增加,在此种情况下,电机的转动方向却是逆着电角度的增加方向,即顺时针旋转。


由于图2和图9两图中的三相电流相序的领先滞后关系完全一致,但是两者的三相电流波形相位上互差了180度,施加于对齐方式相同的电机或者同一台电机时,会导致电机的旋转方向也恰好互反,正如图7和图10所示意的那样。

 

 

 

3. 电流采样方向颠倒未必会引起电机旋转方向变化

目前在伺服驱动器设计中广泛采用磁平衡式霍尔元件或者毫欧级大功率精密电阻作为电流传感器,此类传感器的电流采样方向搞反了会直接影响绕组相电流瞬时反馈值的正负方向,正如图2和图9中标识的相同电角度处的电流值的正负互反关系所表示的那样,并进而造成三相连续反馈电流波形在相位上互差180度,不过并不会影响三相电流相序间的领先滞后关系。

 

在矢量变换环节,由于相电流反馈值符号翻转,会造成Iq和Id电流的符号反转,为实现Iq和Id电流的负反馈闭环控制,就必须在Iq和Id反馈电流与指令电流的符号上寻求统一。

 

例如,以图2中所示相序的三相电流施加到如图5所示的对齐到-30度电角度(V入U出定向)的电机上,电机会逆时针方向旋转。如果电流采样方向与电流流向一致,则经过矢量变换后得到的Iq反馈电流矢量始终处于q轴的负方向,如图7所示,也就是Iq反馈电流为负值;如果电流采样方向与电流流向不一致,则经过矢量变换后得到的Iq反馈电流矢量会始终处于q轴的正方向,可参看图10中所示的那样,即Iq电流为正值。

 

在上述情况下,为取得指令电流符号与反馈电流符号的一致,须将电流采样方向与电流流向一致情况下的反馈电流在符号上取反,而电流采样方向与电流流向不一致情况下的反馈电流则可以直接使用,无需在符号上取反。在这两种情况下,给定正电流指令,电机都会沿逆时针方向旋转。

 

因此,电流采样方向与电流流向颠倒时,虽然反馈电流波形会在总体相位上错位180度,但实际施加给电机的电磁矢量还是一样的,因此只要在算法上妥善处置Iq和Id反馈电流的符号,保持反馈电流与指令电流的符号相一致,就不会影响电机的实际旋转方向。

 

总结

影响电机旋转方向与电机电角度增加方向间关系的因素有:

1. 电机电角度对齐方式导致的电角度相位反转;
2. 电机驱动电流相序的相位反转;

 

需要注意的是驱动器的电流采样方向反转,也就是反馈电流相序反转未必会引起电机旋转方向变化。

 


以上是本人关于电机旋转方向与电机电角度增加方向之间的关系和影响因素的一点看法和体会,一方面可以起到帮助自己整理思路的作用,另一方面,也希望与业内同行共同切磋探讨。


(2009.11.10 初稿)

(2009.11.11 初步完成文字整理)

(2009.11.12~14 调整文字章节,补充图例,修正第“3” 小节的观点和结论)

(2009.12.7~10 调整定向电流和定向角度之间的关系,修正相关图例)

(201.11.3 由网友“柯可1”在360doc的收藏中找到原帖丢失内容,特此致谢!)




小强

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发表于:2009-11-11 21:22:37
1楼
受教了,由衷佩服波恩大哥

波恩

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发表于:2009-11-11 21:33:22
2楼

始疑发自业内同行,尝惑于己心,自惑得解,不敢私藏,故公之于众。

波恩

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发表于:2009-11-14 19:52:34
3楼
此帖自11.11开帖,经过几天来的文字和章节调整,图例制作和补充,观点和结论的修正(主要体现于“3” 小节),终于完稿了,在此感谢与此帖内容有关的业内同仁和项目组同事!

波恩

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发表于:2009-11-14 20:03:54
4楼

忽见此帖加精,就自作主张代表与此帖内容有关的业内同仁和项目组同事就此恭贺一把!

service800

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发表于:2009-11-16 13:27:15
5楼

好贴。波恩辛苦了!谢谢。

farseer

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发表于:2009-11-26 16:32:35
6楼

看了两遍,还是一知半解,我也需要好好研究一番,虽然我不是研发人员,呵呵,不过对这些我总觉得搞透彻了很爽!多谢大师此文!

波恩

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发表于:2009-11-26 20:55:06
7楼

是啊!以前在电角度问题上也是每每一分析就觉得清楚,往往一搁下又觉得糊涂!正所谓屡试不爽,屡试屡爽。所以才下决心整理出来,觉得于己于人都有益处。

@Q

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发表于:2009-11-27 11:44:13
8楼
曾经听海德汉工程师讲,如果编码器精度不高,(或者永磁体的精度与均匀性不高),会引起电机发烫及抖动,是否也是电角度的偏差引起的,请波恩也分析一下。

波恩

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发表于:2009-11-27 22:12:47
9楼

编码器的精度一般不至于影响到电角度,目前永磁交流伺服电机的电流控制精度仅仅能达到优于1%的程度,因此对矢量控制的角分辨率要求就没必要太高,所以个人以为只要编码器做得不至于太差,还不至于影响电角度。

 

换个思路,编码器的精度差,虽然对电角度和矢量控制影响有限,但是会严重影响速度和位置外环的控制精度,引发外环控制的抖动,进而造成电流内环的波动,引起电机发热和抖动。

 

磁体不均匀对电机抖动和发热的贡献在于引入了额外的力矩波动,伺服要匀速运行,就必须克服力矩波动,施加额外的补偿电流,造成不必要的铜损,其中的谐波成份还会引起额外的铁损。

@Q

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发表于:2009-11-28 09:37:53
10楼
谢谢波恩,受益匪浅。

波恩

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发表于:2009-11-28 10:41:56
11楼

以己之长,补人之短! 这是本人行走职场的行事原则,应该也符合论坛的互助精神吧!

波恩

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发表于:2009-12-05 17:31:46
12楼

重要更正:在进行编码器相位和电机转子磁极相位对齐操作,即电角度相位对齐操作时,通过向定子线圈注入直流电使转子定向,然后调整编码器的零位或记录零位偏置是业内通行的一种十分简便的操作方法。

长期以来,本人一直想当然地认为,定子线圈注入电流“U入V出”,将编码器Z信号对齐到平衡位置时,Z信号即对齐于-30度电角度。同样地,定子线圈注入电流“U入VW出”,将编码器Z信号对齐到平衡位置时,Z信号即对齐于电角度0度。

 

然而最近的测试结果表明,上述观点存在错误!其实这一点,一位业内朋友曾质疑并指出:当注入电流为“U入V出”时,感觉编码器的零位不是对齐到-30度电角度,而是需要再错位180度。对此,本人一直未能深入领会,直到本帖于上个月成稿时,仍在坚持着那个想当然的错误观点。

近期,通过对某进口机型的测试发现,逆时针旋转电机轴,其编码器的Z信号和U相信号的上升沿对齐于电机U相反电势波形由低到高的过零点处,也就是通常认为的电角度0点。向其定子绕组注入“U入VW出”的转子定向电流时,Z信号和U相信号的跳变沿并未出现在转子定向的平衡位置处,而注入“VW入U出”的转子定向电流后,Z信号和U相信号的跳变沿才终于出现在转子定向的平衡位置处。

 

此结果表明,向定子绕组注入“VW入U出”的电流,转子磁极定向于电角度0度;“U入VW出”,则定向于180度;两者恰恰错位180度。同理, “V入U出”定向于-30度,“U入V出”则定向于150度,两者注入电流方向相反,对齐后的电角度相位也恰好反转180度。

 

特此更正! 帖子中的相关错误,以及由此可能导致的引申错误有待进一步修正!

南海一舟

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发表于:2009-12-06 23:41:36
13楼

这样看起来的话,错位180度就不存在,非常好! 方便理解! 波恩大侠实在让人佩服!

波恩

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发表于:2009-12-07 11:09:57
14楼

在此请“南海一舟”接受本人最为诚挚的谢意!

也对自己过去传播想当然的错误观点而向大伙儿致歉!希望没把大伙都带进沟里……   汗!

南海一舟

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发表于:2009-12-08 22:14:22
15楼

波恩大侠过奖了,其实我当时也是一知半解,只是隐约觉得难以理解罢了,而且我水平有限,不能从理论上去很好的解释。

我后面自己形成的认识是以驱动端的角度(d轴为N极)看待这个问题,U+、V-把转子N极定位在合成磁场的方向(-30度的位置)。反电势的零相位相当于驱动端的180度, 这样本质上看来跟波恩先生的解释是吻合的, 但可能不太方便理解. 与波恩先生一席讨论胜读十年书啊!

波恩

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发表于:2009-12-10 19:23:30
16楼

呵呵!那就都不要过谦了。以前也很不理解为什么按电角度增加方向,即逆时针方向,施加驱动电流矢量,电机何以会顺时针旋转,经过这番思考和讨论,终于理顺了!

波恩

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发表于:2009-12-10 21:37:54
17楼

继2009-12-05帖出重要更正声明后, 原帖的修正和调整工作终于完成了!

中4565

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发表于:2009-12-17 20:44:03
18楼
谢谢你,我懂得了很多东西

hollycon

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发表于:2009-12-30 09:04:09
19楼
有心人啊

gefuyi

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发表于:2010-03-11 15:06:00
20楼

太好了太有才了

十分感谢


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