★ FEATURED ARTICLE 最近后台好几个做电机驱动的朋友都在问同一个问题直流无刷电机里常看到的ax by cz到底怎么划分是不是按垂直轴线来分的说实话这个问题看着简单但真要说清楚牵扯到绕组结构、电角度、坐标变换好几层东西。我接触无刷电机和永磁同步驱动这些年光是在相序和轴线关系上栽过的跟头就不下三四回。这篇就把ax、by、cz的来龙去脉彻底捋一遍顺便把垂直轴线这个误解的源头也挖出来给正在调电机、修电机、或者刚入门搞FOC的朋友做个参考。1. ax by cz 到底指什么1.1 电机绕组上的AX、BY、CZ是哪根线先说结论ax、by、cz不是某种神秘编号而是三相电机绕组三相各自的首尾端标记读作A-X、B-Y、C-Z。三相无刷电机定子铁芯里嵌着三组线圈三组线圈在圆周方向上依次错开。每组线圈都有两个出线端工程上习惯把A相的两个端头分别叫A和XB相的两个端头叫B和YC相的两个端头叫C和Z。这样一组一组拎出来就成了AX、BY、CZ。老式交流电机的绕组图纸上几乎都是这种标注方式后来很多直流无刷电机和驱动器沿用下来端子排上直接标AX、BY、CZ或者A/A-、B/B-。为什么要分成A和X两个字母因为绕组的两个端点具有方向性。A端和X端不是等价的两个随机引出线它们对应着线圈的正反绕向。一旦把A和X接反相当于这个绕组通反向电流产生的磁场方向直接翻转整个三相磁场的合成关系就乱了。很多维修师傅换电机时只关心线色对得上结果把某一相的首尾接反电机照样能转但噪声变大、力矩明显波动调节器还容易报警。这种情况我遇到太多次后文会专门讲怎么排查。1.2 三相绕组在圆周上怎么分布搞清楚AX、BY、CZ是什么之后得知道它们在定子上是怎么摆的。先看最简单的情况2极电机也就是转子上一对N、S磁极。这种电机一个机械圆周就是360度三组绕组在定子槽内按顺序排列每组绕组产生的磁场中心线也就是相轴线在圆周上彼此相差120度。画一张俯视图就是三个方向平均分开像三片西瓜皮均匀切在圆上。那4极电机呢这里就是新手最容易晕的地方。4极意味着转子有2对磁极机械上转一圈电角度要乘以2。三相绕组轴线的电角度间隔依然是120度但对应的机械角度变成了120度除以极对数P。P2时机械间隔就是60度。换句话说极数越多三相绕组在定子圆面上挤得越密。工程里有个万能公式电角度θe 极对数P × 机械角度θm。所有关于轴向、相位、霍尔间隔的计算最后都要靠这个公式换算。1.3 三相轴线划分的本质合成旋转磁场很多朋友理解不了相轴线到底有什么用总觉得是个抽象概念。其实它直接决定电机能不能转。三相绕组之所以按120度电角度摆放是为了让三组绕组通入相位差120度的正弦电流后在气隙里合成一个大小基本恒定、方向匀速旋转的磁场。这个磁场拉着转子永磁体一起转电机就动起来了。生活化一点相当于三组人站在圆桌三个方向各自用不同的力轮流推桌子。任何时刻三人力的合成方向都是确定的三人力的大小按正弦规律变化合成力的方向就会匀速转圈。如果三个人不是站在120度方向而是两个挨得很近、一个跑对面去那合力要么波动大要么干脆旋转不起来。所以按什么划分的答案已经有了三相绕组不是按垂直轴的90度划分而是按电角度的120度均匀划分。这个120度是交流电机能稳定旋转的几何基础。2. 垂直轴线的说法是从哪来的2.1 三相轴线的夹角120度不是90度直接回答热词里的疑问直流无刷电机的AX、BY、CZ不是按垂直轴线划分的三相绕组轴线互差120度电角度。那垂直这个词从哪来的因为它确实存在于电机控制的另一套坐标体系里只是不用于三相绕组的空间布置而是用于控制算法里的坐标变换。电机控制领域有两套常见坐标系。一套是静止的三相坐标系就是刚才讲的ABC三相互差120度。另一套是两相坐标系分为静止的αβ坐标系和旋转的dq坐标系这两套坐标系内部两个轴之间都是垂直的也就是90度。如果只学过FOC算法看过几张坐标变换框图很容易把垂直的α轴和β轴垂直的d轴和q轴当成电机的实际绕组布置其实压根不是一回事。三相绕组在定子上实打实摆着120度。αβ轴和dq轴是解析用的数学模型位置在脑子里不在定子铁芯上。2.2 αβ轴线和dq轴线垂直关系的真正含义既然提到垂直不妨把这个点讲透因为做FOC的朋友迟早都会碰到。Clarke变换把三相静止坐标系ABC互差120度变换到两相静止坐标系αβ。α轴和β轴相差90度这就是第一组垂直轴线。变换的本质是数学上降维三相系统在平面上的合成矢量完全可以用两个正交分量来表示就像平面上任何一个向量都可以拆成水平和垂直两个方向。Park变换则把静止的αβ坐标系变换到随转子同步旋转的dq坐标系。d轴对准转子永磁体N极的方向称为直轴q轴超前d轴90度电角度称为交轴。这就是第二组垂直轴线。这套垂直的dq轴有什么用它把交流量变成了直流量。三相正弦电流在αβ轴里还是交变的但到了旋转的dq坐标系里稳态下就是两个恒定值ib和iqPI调节器可以直接无静差跟踪控制难度一下子降下来。这也是FOC实现高性能控制的核心所在。2.3 id0控制垂直轴线的实际应用垂直的dq轴在实际控制中最经典的应用就是id0控制。永磁同步电机和直流无刷电机的转矩公式里iq产生主转矩id则影响磁场。让id始终等于0意味着定子电流全部用来产生交轴转矩没有直轴去磁分量。这样的控制策略简单、力矩电流比高是表贴式电机最常用的方式。做工程的朋友对齐编码器零位时本质上就是在找d轴的位置给电机通直流电锁转子让转子N极对准某一相轴线然后记下编码器角度这就建立了电机实体的120度轴线与控制算法的90度dq轴之间的对应关系。到这里可以总结一下AX、BY、CZ描述的是电机本体的三相绕组空间关系按120度划分d轴和q轴是控制算法里的旋转坐标系按90度垂直划分。两者一个在物理侧一个在控制侧各司其职。3. 实操如何验证电机的AX BY CZ轴线关系3.1 第一步确定极对数和相序说再多理论不如动手测一台电机。我新拿到一台没有铭牌或铭牌磨损的电机第一件事就是确定它的极对数和相序。最直观的办法是示波器测反电动势。把电机Y接的三根线任意选两根接到示波器另一根悬空或接公共端用手匀速盘转子观察波形。线反电动势是一个正弦波转子转一圈波形里面出现几个完整正弦周期极对数就是几。比如一个机械周期里数出4个正弦波峰那就是4对极即8极电机。测相序也不难。任意两相之间的反电动势波形和另外两相之间的波形在时间上相差60度还是120度对照标准相序表就能判断A、B、C的顺序。这里有个很容易忽略的细节你测到的AB线反电动势超前还是滞后会直接决定驱动器里换相顺序表用哪一套接错的话电机就算转起来也是抖的。3.2 第二步用霍尔信号验证电角度间隔无刷电机内部通常有三颗霍尔传感器用来感知转子位置。霍尔信号的状态组合有六个每个状态覆盖60度电角度。这是验证轴线划分最便捷的途径。具体做法用示波器的三通道接霍尔A、霍尔B、霍尔C第四通道接编码器的Z脉冲或者手动转动标记。缓慢盘车看六个霍尔状态的切换边沿在机械角度上的分布。如果是4对极电机60度电角度对应15度机械角度霍尔边沿应该基本等间隔地分布在30度、45度、60度这些机械位置附近。如果测出来的霍尔边沿间隔明显不均匀比如一会儿10度一会儿20度那要么霍尔安装歪了要么霍尔板本身的电角度间隔不是60度而是120度。很多电机驱动器的软件里可以配置霍尔间隔类型选错类型后启动瞬间会有明显的顿挫感。3.3 第三步对齐编码器零位做FOC控制的电机必须把编码器零位和A相轴线对齐。这一步我踩过不少坑说下标准操作。先把电机的A相绕组接直流电源正极B和C相接负极或者BC短接作为回流端让定子产生一个固定的磁场方向。此时转子会被强制锁在一个确定位置转子N极方向恰好对准A相轴线。稳定后记录编码器当前位置写入EEPROM作为零位偏移。这个零位偏移误差如果超过5度电角度id和iq的控制效果就会明显变差力矩输出减小母线电流还偏大。如果是追求极限效率的场合这个对齐误差要控制在1到2度电角度以内。实际操作中我会反复通断电锁转子三五次看每次记录的编码器位置是否一致一致性越高说明对齐越可靠。3.4 端子标识被磨掉后的应急判断接手二手电机时经常遇到AX BY CZ标记被磨掉的情况。不要慌用万用表就能分出来。先把三组绕组找出来。用通断档测任意两个端子导通的就是同一个绕组的两端。正常三相电机三组绕组的直流电阻应该完全一致如果某组电阻明显偏大或偏小说明绕组有问题别急着上电。绕组分出来后还需要确定哪一组是A相。方法也不复杂选一组绕组通直流电转子会锁定在一个位置标记好换另一组绕组通同样方向的直流电转子会锁在旋转120/P度的位置按照锁定位置的变化顺序很自然就能排出AX、BY、CZ的相序。这个方法费点时间但在没有示波器、没有铭牌的情况下相当可靠。4. 常见问题与排查技巧实录4.1 三相线接反或者相序错乱症状最典型启动时轻微抖动转起来噪声大电流比正常值高不少驱动器偶尔报过流。排查思路是先用示波器看霍尔状态和相电压波形的对应关系。无刷电机六步换相有一个标准状态表比如霍尔状态100对应哪两相开通110对应哪两相开通。如果实测的对应关系和标准表对不上基本就是相序接错了。有一个实用技巧不要只靠交换两根相线来碰运气。虽然任意交换两根相线可以让反方向运行但对FOC驱动来说相序和编码器零位是绑定标定好的单靠换线很容易在后面的调试里留下隐患。我的习惯是先把霍尔信号按要求接对再按标准表核对相线。4.2 极对数判断错误导致电机无力症状转速上不去、大电流低效率、低速时会振动。典型的算错场景是驱动器的极对数参数填错。比如一台4对极电机参数误设为2对极那么同样的目标转速下驱动器的电气频率只有实际需要的一半电机力矩大打折扣。判断方法我在3.1节提过盘车数反电动势周期。还有一个更省事的办法用另一台已知参数的电机对拖看示波器的频率比值。对拖时如果被试电机一个机械周期的波峰数是标准电机的两倍极对数也就翻倍。4.3 霍尔安装角度偏移导致换相爆音症状电机转动时每隔60度电角度就有一声咔嗒或者嘣的爆音换相瞬间电流尖峰大波形上有明显的毛刺。这种情况多为霍尔板安装角度偏差导致霍尔状态转换点和反电动势过零点错位。标准状态切换应该发生在反电动势过零点后的30度电角度处如果霍尔信号跳变沿提前或滞后换相时刻就不在最佳位置。排查时把霍尔信号和反电动势波形放一起对比。电机反转拖动时看每个霍尔跳变沿与反电动势过零点的间隔。偏差在允许范围内可不动偏差超过10度以上就得重新调整霍尔板的位置了。有些电机外壳是一体压铸霍尔板位置不可调那就只能在软件里做角度补偿。4.4 六步换相与FOC在轴线理解上的差异这里多说一句。做方波控制六步换相和做FOC正弦控制对轴线划分的理解深度要求不一样。方波控制只需要知道霍尔状态对应的换相序稍微粗糙一点也能转FOC则必须精确知道转子磁极的实时角度这就回到前面讲的d轴定位问题。我的体会是无论做哪种控制把定子三相绕组的120度轴线和转子d轴所在位置这两件事先在纸上画清楚再上电调试。很多看起来像算法问题的故障最后都能追溯到基础知识没吃透。5. 给新入手无刷电机项目的一个自查清单最后分享一个我自己整理的习惯动作每次拿到新电机先花半小时把下面四件事做一遍后面调试能省几天时间。第一测三组绕组电阻确认三相对称同时把AX、BY、CZ绕组分组。第二盘车看反电动势确定极对数和相序。第三示波器测霍尔信号记录六个状态与机械角度的分布确认霍尔间隔是60度还是120度电角度。第四如果是带编码器的方案做一次通电解锁转子把编码器零位对齐到A相轴线。这四件事做完电机的基本骨架就清楚了后面的驱动调试都是在往这架骨头上填肉。曾经有台客户返修的电机症状是低速一顿一顿检查了驱动器参数、PID、电流环全都没问题最后发现是霍尔有一个引脚虚焊导致六个状态里少了一个。这种问题如果没有前面第二三步的底子很难快速定位。关于AX BY CZ这组端子再多提醒一句接线端子上的标记有时候是首端和尾端有时候是厂商自定义的相序顺序别只看字母就对号入座。最可靠的做法永远是通电试一次方向再用示波器验证波形。我自己就遇到过一台标注AX BY CZ的电机出厂接线定义和常规完全相反差点被它带沟里。做无刷驱动这几年越来越觉得真正难的不是那些花哨的算法而是这些最基础的概念。三相绕组按什么角度摆、电角度和机械角度怎么换、霍尔边沿和反电动势过零差几度这些搞明白了绝大多数电机问题都能迎刃而解。希望这篇能把ax by cz怎么划分这个疑问彻底画上句号。
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