伺服电机的旋转方向

1、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 emailemail 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

2、正方向、以及电机电角度的增加方向：1,1,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： Ia0Ia0 , ,表示该时刻的电流 IaIa 流向是从 驱动器 a a 或U U 相端子流入电机 a a 相，在电机内部是由 a a 相接线端流入中线，Ib,Ic0Ib,Ic0，表示该时刻的电流 Ib,icIb,ic 的流向是从电机内部的中线是经由 b,cb,c 相接线端流出到驱动器的 b,cb,c 或 V,WV,W 相端子，如图 1 1 中黑色箭头所 示；Z55270285图 1 12,2,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,ca,b,c 相电流产生的磁场矢量的正方

3、向如图1 1 中红色箭头所示；3 3，电机电角度的定义为当 a,b,ca,b,c 三相反电势波形的相位关系为a a 相领先于 b b 相 120120 度、b b 相领先于 c c 相 120120度时 a a 相反电势波形的相位角，如图 2 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 1 和后续图示中亦然。1.1.电机电角度初始相位错位 180180 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

4、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 Z 信号与 UVUV 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 Z 信号对齐于-30-30 度电角度。逆时针方向旋转其中一台电机的轴，UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处(即U U 信号上升沿)由低到高过零，如图 3 3 中 (ab)(ab)曲线在-30-30 度电角度处所示：相反中拼和相电流波形线反电势波形顺时针方向旋转该电机轴，UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处（即 U U 信号下降沿）同样是由低到高过零，如图4 4 中（abab）曲线在 Z Z 处所示：图 4 4这一现

5、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，UVUV 线反电势波形在 Z 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 3 和图 4 4所示的相序那样 UVUV 线反电势波形与编码器 U 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 3 所示，a-ba-b领先于 b-cb-c , , b-cb-c 领先于 c-ac-a ; ;顺时针转动时，相序的领先滞后关系则如图4 4 所示，a-ba-b 领先于 c-ac-a , , c-ac-a

6、 领先于 b-cob-co 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，UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处（即 U U 信号下降沿）由高到低过零，如图 3 3 中 150150 度电角度处所示；顺时针转动，UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处（即 U U 信号上升沿）同样是由高到低过零，如图 4 4 中 Z?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180180 度。两台电机的反电势相序互差180180 度的结果表明最初对齐电角度相位时，通入两台电机UVUV 相的转子定向电流方向应该

7、是正好搞反了，一台电机的转子定向电流是V V（b b）入 U U（a a）出，如图 5 5 中左图所示，转子的 d d 轴定向于-30-30 度电角度，如图 5 5 中右图示意，此图中 d d 轴落在 S S 极上，而不是 N N 极，这一点与本人一直以来 认为的 d d 轴须落在 N N 极上的观点恰好相悖（欢迎斧正！）电角度必线反电势波形图 6 6将编码器 Z Z 信号对齐在转子定向电流经 V V 入 U U 出的电机的定向点处， 即将 Z Z 信号对齐于电机的-30-30 度电角而另一台电机的转子定向电流经U(a)U(a)入 V(b)V(b)出，如图 6 6 中左图所示,转子的 d d

8、轴定向于 150150 度电角度，如图 6 6 中右图示意，本帖将在后面的讨论中统一把 d d 轴标在 S S 极上度，对齐后旋转电机轴，可见 UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处由低到高过零，如图 3 3 中-30-30 度电角度处和图 4 4 中 Z Z 点处所示。将将编码器 Z Z 信号对齐在转子定向电流经U U 入 V V 出的电机的定向点处，即将Z Z 信 号对齐于电机的 150150 度电角度处，对齐后旋转电机轴，可见 UVUV 线反电势波形在 Z Z 信号处由高到低过零，如图 3 3 中 150150 度电角度处和图 4 4 中乙点处所示。 可见相位对齐后，两台电机的电角度相

9、位刚好互错180180度。以图 2 2 中电角度 0 0 点对应的相电流施加于对齐方式如图 5 5 所示的对齐到-30-30 度电角度（V V 入 U U 出定向）的 电机的定子绕组，经矢量变换得到的 IqIq 电流矢量的方向处于 q q 轴的负方向，如图 7 7 所示，这一点必须引起 注意！图 7 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 2 和图 1 1 约定的那样逆时针增长，则给对齐方式如图5 5 所示对齐到-30-30 度电角度（V V 入 U U 出定向）的电机施加相序关系如图2 2 所

10、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 2 中电角度 0 0 点对应的三相电流施加于施加于对齐方式如图6 6 所示的对齐到 150150 度电角度（U U 入 V V出定向）的电机的定子绕组，虽然经矢量变换得到的 IqIq 电流矢量的方向仍旧处于 q q 轴的负方向，但此时转子的真实 q q 轴却位于矢量变换计算所用的 q q 轴的反方向上，如图 8 8 所示，位于 180180 度电角度方向上,即图中所示的 D,D,方向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

11、针增长，以图 2 2 所示的三相电流波形施加于对齐方式如图6 6 所示的对齐到 150150 度电角度（U U 入 V 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。2.2.给定电流相序错位 180180 度电机旋转方向互反如果将图 2 2 所示的三相电流在幅值上直接取反，则可以得到如图9 9 所示的三相电流相序。对比图 2 2 和图 9 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 9 与图 2 2 恰好互反，而在相位上图 9 9 中的波形相序等价于图 2 2 中以 180180 度电

12、角度为起点的相序循环，也就是说图9 9 和图 2 2中的三相电流波形恰好在相位上互差了180180 度。电角度（I以图 9 9 所示的三相电流相序中电角度 0 0 点对应的三相电流施加于对齐方式如图5 5 所示的对齐到-30-30 度电角度（V V 入 U U 出定向）的电机的定子绕组，经矢量变换得到的IqIq 电流的方向处于 q q 轴的正方向，如图 1010 所不：相反电势和相电流波形图 1010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 9 所示的电流相序映射到图 1010 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

13、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 2 和图 9 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180180 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 7 和图 1010 所示意的那样。3.3.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 2 和图 9 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

14、而造成三相连续反馈电流波形在相位上互差180180 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 IqIq 和 IdId 电流的符号反转，为实现 IqIq 和 IdId 电流的负 反馈闭环控制，就必须在 IqIq 和 IdId 反馈电流与指令电流的符号上寻求统一。例如，以图 2 2 中所示相序的三相电流施加到如图5 5 所示的对齐到-30-30 度电角度（V V 入 U 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IqIq 反馈电流矢量始终处于 q q 轴的负方向，如图 7 7 所示，也就

15、是 IqIq 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 IqIq 反馈电流矢量会始终处于 q q 轴的正方向，可参看图 1010 中所示的那样，即 IqIq 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180180 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IqIq 和 IdId 反馈