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：18359 | 回复：84
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！）
波恩先生，你好！首先在此对你表示感谢和敬意。
我有一些关于角度的疑问，在此提出来跟你探讨一下：
1 首先上图1里面说的，电流流入才是正方向，这个跟很多论文上说的是一样的，这个应该是对的，电流是正方向的话，如图1中电流ia，产生的磁场方向向外
2 但是在图5中，左图的电流ib是流入的，应该为正，那磁场方向应该是在120度的位置，不应该在300度位置。同样的，电流ia是流出那磁场的位置应该在180度处。因此合成磁场应该在150度处，不应该在330度处。合成磁场的方向应该是从330度处指向150度处,与图中方面相反。
对此我的理解是这样的：其实定子产生的磁场应该是像我们地球磁场一样，是个大磁场，而转子就像我们地球上的指南针一样。地磁场线是从南向北的，而指南针是指向北的，即指南的N极指向北。其实指南针自身的磁场是从指南针的N到S的，指南针的磁场方向与地磁场方向相反，它本身对在地磁场有一个抵消的作用，这有点像lun茨定理的感觉。 现在回到我们电机上：如上图5所示，合成磁场的方向应该是从330度处指向150度处，而转子的N极应该指向150处，图上转子位置是对的，只是合成磁场方向错了。
3 还有一点就是d轴的位置问题。一般我见到的教科书上说的，d轴都是在N极，没有说在S极，难道书上都错了吗，不信你们随便找本书都是这样画的。所以我自己觉得，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 150度电角度。
这是我自己的理解，写出来和波恩先生讨论一下，同时也希望广大网友们指正一下！
有争议实践好事！当初发此贴，也恰恰是在与业内朋友的观点冲突中有感而发的！
1. 电流流入方向为正，这是对像电动这样的用电器的电流正方向的公认定义，没有任何问题。
2.这一点确为本帖与教科书的差别，关于这一差别的产生原因和理解、应用，“南海一舟”已经在“15楼”有所表述，请参考。
指南针本身就是一个磁体，磁体内部的磁力线由S极指向N极，外部的磁力线由N极指向S，正如楼上所言，地磁场的磁力线方向为从南向北，之所以如此，是因为地球本身就是一个大磁体，N极在地球的南极方向，S极在地球的北极方向，因而在地球的内部，磁力线方向由北指向南，而在地球的表面，磁力线方向则由南指向北，这就是地磁场的磁力线方向。处于地磁场中的指南针，其内部从S指向N的磁力线方向必须与地磁场的磁力线方向保持一致，才能保持稳定的磁势能为零的平衡态，这一点与楼上的理解有所出入。
3.没错！书上讲的d轴都在N极上，与本帖恰好相反。
在与“南海一舟”的邮件交流中，“南海一舟”提出过这样一个观点：以反电势相序定电角度起始点，是从发电机的角度看待电动机，而电动机的电流正方向是流入为正，流出为负，发电机的电流正方向恰恰是流出为正，流入为负。两者刚好相反，因而从发电机的角度看待电动机，定出来的d轴方向就会反转180度，这也许正是书上讲的d轴都在N极上，而本帖谈的d轴落在S极上，彼此间互差180度的缘故。
不过本帖的初衷在于实践和操作，并非与教科书比拼对错。如果本帖能够起到帮助网友更好地理解转子定向与电角度的关系，理解转子定向电流的方向与反电势波形相序的关系，理解电机旋转方向与电角度增加方向的关系就算达到目的了。如果因为与书上的观点不同，反而致使读者犯晕，本人谨表遗憾。
回复内容：
对：波恩
谢谢波恩老师的回答！
对于这个仿真结果，有一点我不是很明白，从仿真结果来看，最后IQ的正负取决于电角度为0时A相波形的相位(B,C依次之后120度)，如果是sin(t)，那么IQ就是负的，如果是sin(t+pi)，那么IQ是正的，在实际操作中，我可以在程序中对反馈值取正或者取反，以保证电机正转(逆时针)时，IQ为正。
我的问题是，实际上电机在逆时针旋转时，当电角度从0 开始时，A相是从0开始降低到-1呢，还是从0开始上升到+1?
首先感谢楼上的验证！
至于“霍尔电流传感器是串在IGBT输出至电机接线端之间，按理说测得的电流应该与实际的电流是同相的吧，为何会搞反”的唯一原因就是穿线的正方向被人为搞反，或者后级放大电路对信号的反向放大。
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