前些天看到一些朋友讨论富士和安川，至于为什么会飞车，本人曾粗略地认为是由于相序接错，导致电角度反转，电流环出现正反馈所致，但并未分析具体相序关系。这几日恰逢工作关系对此问题有所涉及，所以仔细考虑了伺服电机UVW动力线相序接错可能导致的电角度偏移关系，顿感觉有所收获，将分析结果拿出来与大家分享。
   由于一直想找机会实验验证分析结果的正确性，近期特意在项目联调中以项目实验平台为基础，专门做了在不同接入相序下，电流环和速度环的运行表现，以现有实验条件验证并确认了在保护措施不足的情况下，与UVW正常相序存在轮换关系的2种相序VWU和WUV确实会导致速度正反馈，即飞车；而其它3种相序两两反接的UWV、VUW和WVU则可能会瞬动后锁轴。如有异议，请不吝指正。


   需要首先明确本讨论的前提：假定电机编码器初始安装相位正确，伺服驱动器将完全“采信”电机编码器的初始安装相位所表征的电机电角度相位，无需在伺服电机的UVW动力线接线连接后进行额外的电角度初始相位的调整或辨识，这一点也是目前绝大多数成套供应的泛用伺服系统的实际处理方式。



电机的UVW三相动力线与驱动器的UVW三相接线端子之间可能的连接关系共有六种，以驱动器接线端的UVW顺序为正确接入相序，则电机动力线接入驱动器端子后，包括一一对应的“正常接入相序”电机UVW对驱动器UVW在内，根据排列组合，共有6种可能的接入顺序，分别为电机的UVW，UWV，VWU，VUW，WUV，WVU动力线对驱动器的UVW端子，因此驱动器的U、V、W端子有可能分别被接入了电机的U或V或W相动力线。由于电机的动力线上的反电势相位代表了电机的实际电角度，而驱动器的UVW端子的输出电压电流波形间的相位取决于电机编码器相位所表示的确定相序的电角度，因而，在电机动力线的UVW相与驱动器的UVW端子之间的对应关系不同时，就会出现驱动电压电流波形相位与电机反电势相位之间的偏差，有关偏差如下：


以电机动力线相序UVW对驱动器UVW接线端一一对应“正常接入”的相序为参考相序，按照三相交流电的一般相位关系，U领先V120度，V领先W120度，即U领先W240度，则有：

  


U－V－W正常接入相序。

电角度偏移量为0，电角度增量为+Δθ，后续电角度可表示为：+Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从270度正向递增，在d-q坐标系中的电流矢量角始终指向270方向，实现正交解耦。

此时伺服控制始终处于完全正交解耦的最佳状态。

电流环和速度环都运行正常。

    

U－W－V相序，U正确，W、V互反。

电角度偏移量为180度，电角度增量为 -Δθ，后续电角度可表示为：180 - Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从90度反向递减，在d-q坐标系中的电流矢量角由90方向2倍递减，起始方向偏离原正交方向（270度）180度正交于d轴，并逐步该偏离正交方向趋向d轴方向（0度）。

由于电机电角度增量方向与驱动矢量方向逆转，因而Iq分量是cos(180-2Δθ)的函数，90方向的起始相位恰好反向，Iq分量反转180度，在电流环下，电机瞬间反转，随着电机的转动，Iq分量迅速出现零值，并最终锁死于该点。速度环运行模式下，同样会瞬动后锁死。



    
V－W－U相序，电机与驱动器的各相顺序错位。

电角度偏移量为+120度，电角度增量为 +Δθ，后续电角度可表示为：120 + Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从30度正向递增，在d-q坐标系中电流矢量角始终指向30方向，偏离原正交方向（270度方向）+120度。

由于电机电角度增量方向与驱动的一致，Iq分量为cos(120)＝-0.5，符号反转，在电流环下，电机反转，力矩有所减小。速度环运行模式下，速度正反馈飞车。

  
V－U－W相序，U，V相反，W不变，或者与V－W－U相序相比，V固定，U，W互反。

电角度偏移量为-60度，电角度增量为 -Δθ，后续电角度可表示为：-60 - Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从210度反向递减，在d-q坐标系中电流矢量角由210方向2倍递减，起始方向偏离原正交方向（270度）-60度，并趋于指向直轴方向（180度）。

电机电角度增量方向与驱动矢量方向逆转，Iq分量是cos(-60-2Δθ)的函数，起始相位未反向，Iq分量符号为正，在电流环下，电机短时正转，但随着电机的转动，Iq分量迅速出现零值，并最终锁死于该点。速度环运行模式下，同样会瞬动后锁死。



  
W－U－V相序，电机与驱动器的各相再度顺序错位。

电角度偏移量为-120度，电角度增量为 +Δθ，后续电角度可表示为：-120 + Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从150度正向递增，在d-q坐标系中的电流矢量角始终指向150方向，偏离原正交方向（270度）-120度。

电机电角度增量方向与驱动矢量一致，Iq分量为cos(-120)＝-0.5，符号反转，在电流环下，电机反转，力矩有所减小。速度环运行模式下，速度正反馈飞车。

  
W－V－U相序，与W－V－U相序相比，W固定，U，V互反。

电角度偏移量为+60度，电角度增量为 -Δθ，后续电角度可表示为：60 - Δθ。

在α-β坐标中起始电流矢量角从330度反向递减，在d-q坐标系中的电流矢量角由330方向2倍递减，偏离原正交方向（270度）+60度，并趋于越过正交方位指向直轴方向（180度）。

电机电角度增量方向与驱动矢量方向逆转，Iq分量是cos(60-2Δθ)的函数，起始相位不反向，Iq分量符号为正，在电流环下，电机短时正转，但随着电机的转动，Iq分量迅速出现零值，并最终锁死于该点。速度环运行模式下，同样会瞬动后锁死。



【电流环下实验验证 2009年1月5日】

UVW正常接入相序，伺服系统工作正常。

UWV相序，电机瞬动后锁死。

VWU相序，电机反转，力矩降低。

VUW相序，电机瞬动后锁死。

WUV相序，电机反转，力矩降低。

WVU相序，电机瞬动后锁死。



【速度环下实验验证 2009年1月7日】
UVW正常接入相序，伺服速度闭环工作正常。
UWV相序，电机瞬动后锁死。
VWU相序，速度正反馈飞车，速度失去控制。
VUW相序，电机瞬动后锁死。
WUV相序，速度正反馈飞车，速度失去控制。
WVU相序，电机瞬动后锁死。




以上电流环和速度环下的实验是借助项目进程专门设计完成的。实验中，无论是无论是持续正反馈还是电机瞬动或稍动后锁死，电机的驱动电流都明显增大，为保证实验现象的可观察性，实验中特意解除了过速保护、正反馈保护等一系列保护措施，放宽了电流限制阈值，并采取了必要的减额措施，以免电流激增，超过最大值，或者出现过流或过载故障而导致不必要的故障停机。



实验中UWV、VUW和WVU等3种相序与正常相序UVW没有直接的轮换关系，而是进行了相应的相位间两两互换，从而导致电机的实际运行电角度与驱动矢量的电角度增长方向互反，且呈加倍递减状态，永磁交流伺服电机无论是在电流环还是速度环模式下，都呈瞬动后锁死状态。这一点与传统的感应电机拖动或异步变频器通过三相接线顺序的两两互换就可以改变电机运行方向的做法显然是大相径庭，因而在这个问题，绝不能以感应电机拖动和变频器的使用经验来等同看待。



初步的实验表明：UWV、VUW和WVU等3种相序下的起始瞬动方向取决于电机电角度的实际位置和指令方向，在指令方向不变的前提下，瞬动方向更趋向与就近转向锁死点；指令方向改变后，则会反向趋近就近的锁死点。关于这一点，实验尚做得不够细致和全面，特此声明！


无论是计入持续正反馈还是电机稍动后锁死，电机的驱动电流都会很快达到最大，直至出现过流或过载故障，测的停机。



【后记】



拿变频器或工频驱动的拖动电机的相序与转动方向的概念来套伺服系统，显然是有问题的，不过国内的伺服系统应用面尚小，业内的认识水平也自然不够高。同样的相序关系放在伺服驱动和拖动电机上，效果必然不同，在此举2个小例子：



U－V－W相序和U－W－V相序相比，就是不动一相，而改变其它两相的接线顺序：用在拖动电机上，会改变电机的转动方向，这也是继电器逻辑赖以使电机换向的经典做法；而用在伺服系统中，电机就不是反转，而是瞬动后便锁死了。



U－V－W相序和V－W－U，就是接线顺序轮换：用在拖动电机上，气隙旋转磁场的方向不变，因而电机转动效果没有差别；而用在伺服系统中，电机就有可能飞车。

这篇文章怎么看起来有点眼熟？

难道是中国工控网的波恩力作？