前些天看到一些朋友討論富士和安川，至于為什么會飛車，本人曾粗略地認為是由于相序接錯，導致電角度反轉，電流環(huán)出現正反饋所致，但并未分析具體相序關系。這幾日恰逢工作關系對此問題有所涉及，所以仔細考慮了伺服電機UVW動力線相序接錯可能導致的電角度偏移關系，頓感覺有所收獲，將分析結果拿出來與大家分享。
   由于一直想找機會實驗驗證分析結果的正確性，近期特意在項目聯調中以項目實驗平臺為基礎，專門做了在不同接入相序下，電流環(huán)和速度環(huán)的運行表現，以現有實驗條件驗證并確認了在保護措施不足的情況下，與UVW正常相序存在輪換關系的2種相序VWU和WUV確實會導致速度正反饋，即飛車；而其它3種相序兩兩反接的UWV、VUW和WVU則可能會瞬動后鎖軸。如有異議，請不吝指正。


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



電機的UVW三相動力線與驅動器的UVW三相接線端子之間可能的連接關系共有六種，以驅動器接線端的UVW順序為正確接入相序，則電機動力線接入驅動器端子后，包括一一對應的“正常接入相序”電機UVW對驅動器UVW在內，根據排列組合，共有6種可能的接入順序，分別為電機的UVW，UWV，VWU，VUW，WUV，WVU動力線對驅動器的UVW端子，因此驅動器的U、V、W端子有可能分別被接入了電機的U或V或W相動力線。由于電機的動力線上的反電勢相位代表了電機的實際電角度，而驅動器的UVW端子的輸出電壓電流波形間的相位取決于電機編碼器相位所表示的確定相序的電角度，因而，在電機動力線的UVW相與驅動器的UVW端子之間的對應關系不同時，就會出現驅動電壓電流波形相位與電機反電勢相位之間的偏差，有關偏差如下：


以電機動力線相序UVW對驅動器UVW接線端一一對應“正常接入”的相序為參考相序，按照三相交流電的一般相位關系，U領先V120度，V領先W120度，即U領先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坐標中起始電流矢量角從270度正向遞增，在d-q坐標系中的電流矢量角始終指向270方向，實現正交解耦。

此時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坐標中起始電流矢量角從90度反向遞減，在d-q坐標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）。

由于電機電角度增量方向與驅動矢量方向逆轉，因而Iq分量是cos(180-2Δθ)的函數，90方向的起始相位恰好反向，Iq分量反轉180度，在電流環(huán)下，電機瞬間反轉，隨著電機的轉動，Iq分量迅速出現零值，并最終鎖死于該點。速度環(huán)運行模式下，同樣會瞬動后鎖死。



    
V－W－U相序，電機與驅動器的各相順序錯位。

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坐標中起始電流矢量角從30度正向遞增，在d-q坐標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。

由于電機電角度增量方向與驅動的一致，Iq分量為cos(120)＝-0.5，符號反轉，在電流環(huán)下，電機反轉，力矩有所減小。速度環(huán)運行模式下，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坐標中起始電流矢量角從210度反向遞減，在d-q坐標系中電流矢量角由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）。

電機電角度增量方向與驅動矢量方向逆轉，Iq分量是cos(-60-2Δθ)的函數，起始相位未反向，Iq分量符號為正，在電流環(huán)下，電機短時正轉，但隨著電機的轉動，Iq分量迅速出現零值，并最終鎖死于該點。速度環(huán)運行模式下，同樣會瞬動后鎖死。



  
W－U－V相序，電機與驅動器的各相再度順序錯位。

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坐標中起始電流矢量角從150度正向遞增，在d-q坐標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。

電機電角度增量方向與驅動矢量一致，Iq分量為cos(-120)＝-0.5，符號反轉，在電流環(huán)下，電機反轉，力矩有所減小。速度環(huán)運行模式下，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坐標中起始電流矢量角從330度反向遞減，在d-q坐標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）。

電機電角度增量方向與驅動矢量方向逆轉，Iq分量是cos(60-2Δθ)的函數，起始相位不反向，Iq分量符號為正，在電流環(huán)下，電機短時正轉，但隨著電機的轉動，Iq分量迅速出現零值，并最終鎖死于該點。速度環(huán)運行模式下，同樣會瞬動后鎖死。



【電流環(huán)下實驗驗證 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，電機瞬動后鎖死。

VWU相序，電機反轉，力矩降低。

VUW相序，電機瞬動后鎖死。

WUV相序，電機反轉，力矩降低。

WVU相序，電機瞬動后鎖死。



【速度環(huán)下實驗驗證 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，電機瞬動后鎖死。
VWU相序，速度正反饋飛車，速度失去控制。
VUW相序，電機瞬動后鎖死。
WUV相序，速度正反饋飛車，速度失去控制。
WVU相序，電機瞬動后鎖死。




以上電流環(huán)和速度環(huán)下的實驗是借助項目進程專門設計完成的。實驗中，無論是無論是持續(xù)正反饋還是電機瞬動或稍動后鎖死，電機的驅動電流都明顯增大，為保證實驗現象的可觀察性，實驗中特意解除了過速保護、正反饋保護等一系列保護措施，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，或者出現過流或過載故障而導致不必要的故障停機。



實驗中UWV、VUW和WVU等3種相序與正常相序UVW沒有直接的輪換關系，而是進行了相應的相位間兩兩互換，從而導致電機的實際運行電角度與驅動矢量的電角度增長方向互反，且呈加倍遞減狀態(tài)，永磁交流伺服電機無論是在電流環(huán)還是速度環(huán)模式下，都呈瞬動后鎖死狀態(tài)。這一點與傳統(tǒng)的感應電機拖動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運行方向的做法顯然是大相徑庭，因而在這個問題，絕不能以感應電機拖動和變頻器的使用經驗來等同看待。



初步的實驗表明：UWV、VUW和WVU等3種相序下的起始瞬動方向取決于電機電角度的實際位置和指令方向，在指令方向不變的前提下，瞬動方向更趨向與就近轉向鎖死點；指令方向改變后，則會反向趨近就近的鎖死點。關于這一點，實驗尚做得不夠細致和全面，特此聲明！


無論是計入持續(xù)正反饋還是電機稍動后鎖死，電機的驅動電流都會很快達到最大，直至出現過流或過載故障，測的停機。



【后記】



拿變頻器或工頻驅動的拖動電機的相序與轉動方向的概念來套伺服系統(tǒng)，顯然是有問題的，不過國內的伺服系統(tǒng)應用面尚小，業(yè)內的認識水平也自然不夠高。同樣的相序關系放在伺服驅動和拖動電機上，效果必然不同，在此舉2個小例子：



U－V－W相序和U－W－V相序相比，就是不動一相，而改變其它兩相的接線順序：用在拖動電機上，會改變電機的轉動方向，這也是繼電器邏輯賴以使電機換向的經典做法；而用在伺服系統(tǒng)中，電機就不是反轉，而是瞬動后便鎖死了。



U－V－W相序和V－W－U，就是接線順序輪換：用在拖動電機上，氣隙旋轉磁場的方向不變，因而電機轉動效果沒有差別；而用在伺服系統(tǒng)中，電機就有可能飛車。

這篇文章怎么看起來有點眼熟？

難道是中國工控網的波恩力作？