前些天看到一些朋友討論富士和安川，至于為什么會(huì)飛車，本人曾粗略地認(rèn)為是由于相序接錯(cuò)，導(dǎo)致電角度反轉(zhuǎn)，電流環(huán)出現(xiàn)正反饋所致，但并未分析具體相序關(guān)系。這幾日恰逢工作關(guān)系對(duì)此問題有所涉及，所以仔細(xì)考慮了伺服電機(jī)UVW動(dòng)力線相序接錯(cuò)可能導(dǎo)致的電角度偏移關(guān)系，頓感覺有所收獲，將分析結(jié)果拿出來與大家分享。
   由于一直想找機(jī)會(huì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，近期特意在項(xiàng)目聯(lián)調(diào)中以項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，專門做了在不同接入相序下，電流環(huán)和速度環(huán)的運(yùn)行表現(xiàn)，以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證并確認(rèn)了在保護(hù)措施不足的情況下，與UVW正常相序存在輪換關(guān)系的2種相序VWU和WUV確實(shí)會(huì)導(dǎo)致速度正反饋，即飛車；而其它3種相序兩兩反接的UWV、VUW和WVU則可能會(huì)瞬動(dòng)后鎖軸。如有異議，請(qǐng)不吝指正。


   需要首先明確本討論的前提：假定電機(jī)編碼器初始安裝相位正確，伺服驅(qū)動(dòng)器將完全“采信”電機(jī)編碼器的初始安裝相位所表征的電機(jī)電角度相位，無需在伺服電機(jī)的UVW動(dòng)力線接線連接后進(jìn)行額外的電角度初始相位的調(diào)整或辨識(shí)，這一點(diǎn)也是目前絕大多數(shù)成套供應(yīng)的泛用伺服系統(tǒng)的實(shí)際處理方式。



電機(jī)的UVW三相動(dòng)力線與驅(qū)動(dòng)器的UVW三相接線端子之間可能的連接關(guān)系共有六種，以驅(qū)動(dòng)器接線端的UVW順序?yàn)檎�確接入相序，則電機(jī)動(dòng)力線接入驅(qū)動(dòng)器端子后，包括一一對(duì)應(yīng)的“正常接入相序”電機(jī)UVW對(duì)驅(qū)動(dòng)器UVW在內(nèi)，根據(jù)排列組合，共有6種可能的接入順序，分別為電機(jī)的UVW，UWV，VWU，VUW，WUV，WVU動(dòng)力線對(duì)驅(qū)動(dòng)器的UVW端子，因此驅(qū)動(dòng)器的U、V、W端子有可能分別被接入了電機(jī)的U或V或W相動(dòng)力線。由于電機(jī)的動(dòng)力線上的反電勢(shì)相位代表了電機(jī)的實(shí)際電角度，而驅(qū)動(dòng)器的UVW端子的輸出電壓電流波形間的相位取決于電機(jī)編碼器相位所表示的確定相序的電角度，因而，在電機(jī)動(dòng)力線的UVW相與驅(qū)動(dòng)器的UVW端子之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電壓電流波形相位與電機(jī)反電勢(shì)相位之間的偏差，有關(guān)偏差如下：


以電機(jī)動(dòng)力線相序UVW對(duì)驅(qū)動(dòng)器UVW接線端一一對(duì)應(yīng)“正常接入”的相序?yàn)閰⒖枷嘈�，按照三相交流電的一般相位關(guān)系，U領(lǐng)先V120度，V領(lǐng)先W120度，即U領(lǐng)先W240度，則有：

  


U－V－W正常接入相序。

電角度偏移量為0，電角度增量為+Δθ，后續(xù)電角度可表示為：+Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從270度正向遞增，在d-q坐標(biāo)系中的電流矢量角始終指向270方向，實(shí)現(xiàn)正交解耦。

此時(shí)伺服控制始終處于完全正交解耦的最佳狀態(tài)。

電流環(huán)和速度環(huán)都運(yùn)行正常。

    

U－W－V相序，U正確，W、V互反。

電角度偏移量為180度，電角度增量為 -Δθ，后續(xù)電角度可表示為：180 - Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從90度反向遞減，在d-q坐標(biāo)系中的電流矢量角由90方向2倍遞減，起始方向偏離原正交方向（270度）180度正交于d軸，并逐步該偏離正交方向趨向d軸方向（0度）。

由于電機(jī)電角度增量方向與驅(qū)動(dòng)矢量方向逆轉(zhuǎn)，因而Iq分量是cos(180-2Δθ)的函數(shù)，90方向的起始相位恰好反向，Iq分量反轉(zhuǎn)180度，在電流環(huán)下，電機(jī)瞬間反轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，Iq分量迅速出現(xiàn)零值，并最終鎖死于該點(diǎn)。速度環(huán)運(yùn)行模式下，同樣會(huì)瞬動(dòng)后鎖死。



    
V－W－U相序，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的各相順序錯(cuò)位。

電角度偏移量為+120度，電角度增量為 +Δθ，后續(xù)電角度可表示為：120 + Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從30度正向遞增，在d-q坐標(biāo)系中電流矢量角始終指向30方向，偏離原正交方向（270度方向）+120度。

由于電機(jī)電角度增量方向與驅(qū)動(dòng)的一致，Iq分量為cos(120)＝-0.5，符號(hào)反轉(zhuǎn)，在電流環(huán)下，電機(jī)反轉(zhuǎn)，力矩有所減小。速度環(huán)運(yùn)行模式下，速度正反饋飛車。

  
V－U－W相序，U，V相反，W不變，或者與V－W－U相序相比，V固定，U，W互反。

電角度偏移量為-60度，電角度增量為 -Δθ，后續(xù)電角度可表示為：-60 - Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從210度反向遞減，在d-q坐標(biāo)系中電流矢量角由210方向2倍遞減，起始方向偏離原正交方向（270度）-60度，并趨于指向直軸方向（180度）。

電機(jī)電角度增量方向與驅(qū)動(dòng)矢量方向逆轉(zhuǎn)，Iq分量是cos(-60-2Δθ)的函數(shù)，起始相位未反向，Iq分量符號(hào)為正，在電流環(huán)下，電機(jī)短時(shí)正轉(zhuǎn)，但隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，Iq分量迅速出現(xiàn)零值，并最終鎖死于該點(diǎn)。速度環(huán)運(yùn)行模式下，同樣會(huì)瞬動(dòng)后鎖死。



  
W－U－V相序，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的各相再度順序錯(cuò)位。

電角度偏移量為-120度，電角度增量為 +Δθ，后續(xù)電角度可表示為：-120 + Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從150度正向遞增，在d-q坐標(biāo)系中的電流矢量角始終指向150方向，偏離原正交方向（270度）-120度。

電機(jī)電角度增量方向與驅(qū)動(dòng)矢量一致，Iq分量為cos(-120)＝-0.5，符號(hào)反轉(zhuǎn)，在電流環(huán)下，電機(jī)反轉(zhuǎn)，力矩有所減小。速度環(huán)運(yùn)行模式下，速度正反饋飛車。

  
W－V－U相序，與W－V－U相序相比，W固定，U，V互反。

電角度偏移量為+60度，電角度增量為 -Δθ，后續(xù)電角度可表示為：60 - Δθ。

在α-β坐標(biāo)中起始電流矢量角從330度反向遞減，在d-q坐標(biāo)系中的電流矢量角由330方向2倍遞減，偏離原正交方向（270度）+60度，并趨于越過正交方位指向直軸方向（180度）。

電機(jī)電角度增量方向與驅(qū)動(dòng)矢量方向逆轉(zhuǎn)，Iq分量是cos(60-2Δθ)的函數(shù)，起始相位不反向，Iq分量符號(hào)為正，在電流環(huán)下，電機(jī)短時(shí)正轉(zhuǎn)，但隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，Iq分量迅速出現(xiàn)零值，并最終鎖死于該點(diǎn)。速度環(huán)運(yùn)行模式下，同樣會(huì)瞬動(dòng)后鎖死。



【電流環(huán)下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2009年1月5日】

UVW正常接入相序，伺服系統(tǒng)工作正常。

UWV相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。

VWU相序，電機(jī)反轉(zhuǎn)，力矩降低。

VUW相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。

WUV相序，電機(jī)反轉(zhuǎn)，力矩降低。

WVU相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。



【速度環(huán)下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 2009年1月7日】
UVW正常接入相序，伺服速度閉環(huán)工作正常。
UWV相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。
VWU相序，速度正反饋飛車，速度失去控制。
VUW相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。
WUV相序，速度正反饋飛車，速度失去控制。
WVU相序，電機(jī)瞬動(dòng)后鎖死。




以上電流環(huán)和速度環(huán)下的實(shí)驗(yàn)是借助項(xiàng)目進(jìn)程專門設(shè)計(jì)完成的。實(shí)驗(yàn)中，無論是無論是持續(xù)正反饋還是電機(jī)瞬動(dòng)或稍動(dòng)后鎖死，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流都明顯增大，為保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀察性，實(shí)驗(yàn)中特意解除了過速保護(hù)、正反饋保護(hù)等一系列保護(hù)措施，放寬了電流限制閾值，并采取了必要的減額措施，以免電流激增，超過最大值，或者出現(xiàn)過流或過載故障而導(dǎo)致不必要的故障停機(jī)。



實(shí)驗(yàn)中UWV、VUW和WVU等3種相序與正常相序UVW沒有直接的輪換關(guān)系，而是進(jìn)行了相應(yīng)的相位間兩兩互換，從而導(dǎo)致電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電角度與驅(qū)動(dòng)矢量的電角度增長方向互反，且呈加倍遞減狀態(tài)，永磁交流伺服電機(jī)無論是在電流環(huán)還是速度環(huán)模式下，都呈瞬動(dòng)后鎖死狀態(tài)。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)或異步變頻器通過三相接線順序的兩兩互換就可以改變電機(jī)運(yùn)行方向的做法顯然是大相徑庭，因而在這個(gè)問題，絕不能以感應(yīng)電機(jī)拖動(dòng)和變頻器的使用經(jīng)驗(yàn)來等同看待。



初步的實(shí)驗(yàn)表明：UWV、VUW和WVU等3種相序下的起始瞬動(dòng)方向取決于電機(jī)電角度的實(shí)際位置和指令方向，在指令方向不變的前提下，瞬動(dòng)方向更趨向與就近轉(zhuǎn)向鎖死點(diǎn)；指令方向改變后，則會(huì)反向趨近就近的鎖死點(diǎn)。關(guān)于這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)尚做得不夠細(xì)致和全面，特此聲明！


無論是計(jì)入持續(xù)正反饋還是電機(jī)稍動(dòng)后鎖死，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流都會(huì)很快達(dá)到最大，直至出現(xiàn)過流或過載故障，測(cè)的停機(jī)。



【后記】



拿變頻器或工頻驅(qū)動(dòng)的拖動(dòng)電機(jī)的相序與轉(zhuǎn)動(dòng)方向的概念來套伺服系統(tǒng)，顯然是有問題的，不過國內(nèi)的伺服系統(tǒng)應(yīng)用面尚小，業(yè)內(nèi)的認(rèn)識(shí)水平也自然不夠高。同樣的相序關(guān)系放在伺服驅(qū)動(dòng)和拖動(dòng)電機(jī)上，效果必然不同，在此舉2個(gè)小例子：



U－V－W相序和U－W－V相序相比，就是不動(dòng)一相，而改變其它兩相的接線順序：用在拖動(dòng)電機(jī)上，會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這也是繼電器邏輯賴以使電機(jī)換向的經(jīng)典做法；而用在伺服系統(tǒng)中，電機(jī)就不是反轉(zhuǎn)，而是瞬動(dòng)后便鎖死了。



U－V－W相序和V－W－U，就是接線順序輪換：用在拖動(dòng)電機(jī)上，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向不變，因而電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)效果沒有差別；而用在伺服系統(tǒng)中，電機(jī)就有可能飛車。