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:18007 | 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!)




dybok

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发表于:2011-07-30 14:48:47
41楼
波恩老师,你好!想请教你一下,现在手头上PMSM 是4对级,旋变1对级,当旋变的零位出现时,驱动器反馈回来的角度是87.3度(估计应该是电角度),我想问一下为什么不是零度呢? 目前手头上的旋变定转子表面都标有记号,定转子的这个记号对齐是不是意味着是旋变的零点呢? 谢谢!     

波恩

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42楼

dybok

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发表于:2011-07-30 23:35:05
43楼

波恩老师,你好!不明白你第3步  用伺服驱动器读取由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值,这里这个绝对位置值是指什么呢?编码器安装角度? 这个安装角度又是怎么定义的呢? 谢谢!

V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置,由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向,那么在同步机矢量控制时就要加上30度,这样才能实现磁场定向控制。 是吗?谢谢!

如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器,也可以存储旋变随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下:
1.将旋变随机安装在电机上,即固结旋变转轴与电机轴,以及旋变外壳与电机外壳;
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置;
3.用伺服驱动器读取由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值,并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中;
4.对齐过程结束。

波恩

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44楼

xtuweng

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发表于:2011-10-25 13:11:17
45楼

波恩老师的学术精神是我辈楷模!!!

波恩

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发表于:2011-10-30 09:37:08
46楼

本帖原帖内容也丢失了很多,显然是此番改版的副作用表现之一,令本人颇为痛心!

 

但愿只是短暂的痛心,而不是长久的失望……

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47楼
电角度与旋转方向的问题,我狗尾续貂一下:1) 电角度逆时针增加,电机就一定要逆时针转吗? 2) 在第1点中,电机顺时针转,如果确实需要电机逆时针旋转,方法一是在应用中修改应用参数满足需要,方法二是调换UVW的任意两相顺序,再更改编码器接线及初始位置角等。

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48楼
抛砖引玉,我觉得没有必要把问题搞复杂了,要从实用角度来分析问题。通入电流方向不同,形成的磁通不同,至于定位后是N还是S并不重要。举个例子关系a=bxc,如果b的定义取反即-b,要维持上述关系,可以有两种选择:c的定义取反即-c、a定义不变; a定义取反即-a、c定义不变。至于哪种方法简单、便于实现,要根据实际情况决定。

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发表于:2011-10-30 15:19:17
49楼
波恩的方法原理上没问题,但我估计一般应用人员很难理解!研发人员有更加简捷的方法用于转子初始角定位等,拿到新电机后会很快给出初始相位角和接线图。

波恩

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发表于:2011-11-03 10:13:01
50楼

帖子丢失内容已从360doc的网友收藏中全部恢复,在此感谢360doc的收藏者:柯可1

 

原帖丢失内容恢复自 360doc.com 之 http://www.360doc.com/content/11/0322/10/4122710_103432623.shtml

波恩

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发表于:2011-11-03 10:36:20
51楼
原帖丢失内容恢复自 360doc.com 之 http://www.360doc.com/content/11/0322/10/4122710_103432623.shtml

lnhv013710

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发表于:2011-11-03 22:44:14
52楼

lnhv013710

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发表于:2011-11-03 23:08:59
53楼

波恩师傅,谢谢您的帖子,长见识了

另外请教大家,图片1中转子的位置产生的相反电势,对应图片2中那个位置?

我感觉对应图片2中90度的位置,可是图2里面90度位置的abc的相电流产生的磁场与图片1转子磁场平行,根据另外一个帖子里说的FOC控制目的使初级线圈产生磁场和转子磁场垂直,矛盾,怎么解释?

——————

反过来说图片1转子那个位置,伺服让bc相通电,产生磁场矢量方向才垂直转子磁场,对应图片2中0度和180度的位置,可是又与FOC矛盾了。

 

波恩

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发表于:2011-11-04 11:17:20
54楼

楼上看得很仔细!

 

图1的目的在于说明电角度的正方向,绕组电流的正方向,及其产生的各相电磁矢量分量的正方向,图中的通电方式与图中磁体所处方向并无本质关系,后面的图5和图6的左半部分也和这一点一样。

如果一定要深究图1的电流相位,假设Ib、Ic大小相等,则确实对应图2的90度位置。此时磁体位置处于定子U-VW通电后的转子定向态的顺从方位,而不是矢量驱动态的正交方位。

深究图1中磁体方位所能产生的反电势波形恐怕有难度,毕竟这样的示意图过于简略,很难从中分析流经各相的磁通及其变化。

lnhv013710

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发表于:2011-11-05 00:04:45
55楼
波恩师傅,抱歉,今天中班忙没来的急看贴,马上要下班了,准备明天画张图,您再帮忙看下

lnhv013710

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发表于:2011-11-05 18:40:29
56楼

刚画了一个示意图,没法上传,我想用图片表达,图1里面的转子磁极方向和线圈磁场方向相互作用力不是垂直的时候最大,而是顺从状态,也就是两者平行的时候出力最大,正交方向反而是作用力最小的,因为磁极越靠近磁极 磁力线越密,作用力越大,而垂直状态时磁力线最疏,作用力最小

lnhv013710

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发表于:2011-11-05 18:51:37
57楼
呵呵,不好意思,明知道自己说的不对,但知识面有限,无法找到答案。不过刚才突然想到,图1那个磁场,看似不同位置强度不同,可是实际电机里面磁条很密,顺从位置和正交位置磁极强度都一样。那么顺从位置转子的力矩是1+0+1+0的话,顺从位置就是1.414/2+1.414/2+1.414/2+1.414/2=2.828,所以还是正交位置的作用力大。不知道这个解释对不对

lnhv013710

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发表于:2011-11-05 21:04:35
58楼

波恩师傅,自从看到你的帖子就一直在寻思最大出力位置和FOC的相电流相反电势同波形,不可理解!

————

刚才灵光一闪。图1,如果伺服器 驱动转子转动,取转子在竖直的瞬间位置分析,根据foc正交,线圈磁场矢量应该水平方向,定子电流应该是ia=ib+ic(且ib=ic),相电流对应图2的90度位置,此时瞬间a线圈的磁通量是0(原来以为磁通量是零,感应电势也是零了),刚想起高中学的感应电压是衡量单位时间内磁通量的变化量,而此时a线圈磁通量变化量是一个周期内最大的(磁通量过零点的斜率最大),所以a的感应电势也最大,即反电势对应图片2的90度位置,而b和c线圈一个磁通量减少,一个增大,而一个是n极另外一个是s极,所以负负得正(相反方向运动切割磁力线产生的电流相反。相反磁场方向被导线同方向运动切割产生的电流方向相反),最后还是同向的负的感应电势,也对应图2 的90度的位置。

————————

最近刚好在找 校正 电角度和编码器的资料,帮了我大忙,长了很多知识,再次谢谢波恩师傅无私奉献的好贴

lnhv013710

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发表于:2011-11-07 12:43:23
59楼

波恩师傅,您好,问下帖子里面好看的示意图片是用什么软件画的?CAD?

还有一个问题,如果是一对极的带uvw信号的增量编码器,在伺服器上电对电机自锁的时候,电机应该有一个正负30度角度的转动,4对极的电机应该有正负7.5度得转动,可是我接触过的数控设备(增量的),上电时感觉各个轴都没有动。

清泉lulu

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发表于:2011-11-07 17:01:26
60楼

迷迷糊糊的,我以前也是这样,不懂,现在还是不太懂,悲剧,好好学习!


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