伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方法[原创] 点击:113993 | 回复:1106



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发表于:2008-10-05 12:12:16
楼主

论坛中总是有人问及伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的问题,这样的问题论坛中多有回答,本人也曾在多个帖子有所回复,鉴于本人的回复较为零散,早就想整理集中一下,只是一直未能如愿,今借十一长假之际,将自己对这一问题的经验和体会整理汇总一下,以供大家参考,或者有个全面的了解。

 

永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐

其唯一目的就是要达成矢量控制的目标,使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦,令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场,从而获得最佳的出力效果,即“类直流特性”,这种控制方法也被称为磁场定向控制(FOC),达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致,如下图所示:

图1

因此反推可知,只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致,就可以达成FOC控制目标,使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交,即波形间互差90度电角度,如下图所示:

图2

如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢?由图1可知,只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位,然后就可以相对容易地根据电角度相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了。

 

在此需要明示的是,永磁交流伺服电机的所谓电角度就是a相(U相)相反电势波形的正弦(Sin)相位,因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系;另一方面,电角度也是转子坐标系的d轴(直轴)与定子坐标系的a轴(U轴)或α轴之间的夹角,这一点有助于图形化分析。

 

在实际操作中,欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时,在无外力条件下,初级电磁场与磁极永磁场相互作用,会相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上,如下图所示:

图3

对比上面的图3和图2可见,虽然a相(U相)绕组(红色)的位置同处于电磁场波形的峰值中心(特定角度),但FOC控制下,a相(U相)中心与永磁体的q轴对齐;而空载定向时,a相(U相)中心却与d轴对齐。也就是说相对于初级(定子)绕组而言,次级(转子)磁体坐标系的d轴在空载定向时有会左移90度电角度,与FOC控制下q轴的原有位置重合,这样就实现了转子空载定向时a轴(U轴)或α轴与d轴间的对齐关系。

 

此时相位对齐到电角度0度,电机绕组中施加的转子定向电流的方向为bc相(VW相)入,a相(U相)出,由于b相(V相)与c相(W相)是并联关系,流经b相(V相)和c相(W相)的电流有可能出现不平衡,从而影响转子定向的准确性。

 

实用化的转子定向电流施加方法是b相(V相)入,a相(U相)出,即a相(U相)与b相(V相)串联,可获得幅值完全一致的a相(U相)和b相(V相)电流,有利于定向的准确性,此时a相(U相)绕组(红色)的位置与d轴差30度电角度,即a轴(U轴)或α轴对齐到与d轴相差(负)30度的电角度位置上,如图所示:

图4

上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线反电势,以及电角度的关系如下图所示,棕色线为a轴(U轴)或α轴与d轴对齐,即直接对齐到电角度0点;紫色线为a轴(U轴)或α轴对齐到与d轴相差(负)30度的电角度位置,即对齐到-30度电角度点:

图5
上述两种转子定向方法在dq转子坐标系和abc(UVW)或αβ定子坐标系中的矢量关系如图6所示:
图6
图中棕色实线所示的d轴与a轴(U轴)或α轴对齐,即对齐到电角度0点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为-90度的电流矢量,如图中棕色虚线所示,空载下电机转子的d轴会移向FOC控制下电角度相位为-90度的电流矢量q轴分量所处的位置,即图中与a轴或α轴重合的位置,并最终定向于该位置,即电角度0度。
紫色实线所示的d 轴与a轴(U轴)或α轴相差30度,即对齐到-30度电角度点。对齐方法是对电机绕组施加电角度相位固定为-120度的电流矢量,空载下电机转子的d轴会移向在FOC下电角度相位为-120度的电流矢量q轴分量所处的位置,即图中与a轴或α轴沿顺时针方向相差30度的位置,并最终定向于该位置,即电角度-30度。 
说明一点:文中有关U、V、W相和a、b、c相,U、V、W轴和a、b、c轴的叙述具有一一对应关系。

 

主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器,绝对式编码器,正余弦编码器,旋转变压器等。 

增量式编码器的相位对齐方式 

在此讨论中,增量式编码器的输出信号为方波信号,又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器,普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B,以及零位信号Z;带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外,还具备互差120度的电子换相信号UVW,UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位,或曰电角度相位之间的对齐方法如下: 

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察编码器U相信号跳变沿,和Z信号,直到Z信号稳定在高电平上(在此默认Z信号的常态为低电平),锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,Z信号都能稳定在高电平上,则对齐有效。 

撤掉直流电源后,验证如下: 
1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形; 
2.逆时针转动电机轴,编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合,编码器的Z信号也出现在这个过零点上。 
上述验证方法,也可以用作对齐方法。 

需要注意的是,此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机UV线反电势的相位零点对齐,由于电机的U相反电势,与UV线反电势之间相差30度,因而这样对齐后,增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐,而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致,所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。 

有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐,为达到此目的,可以: 

1.用一个直流电源给电机的UVW绕组通以小于额定电流的直流电,VW入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察编码器U相信号跳变沿,和Z信号,直到Z信号稳定在高电平上(在此默认Z信号的常态为低电平),锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,Z信号都能稳定在高电平上,则对齐有效。 

验证方法如下: 
1.用3个阻值相等的电阻接成星型,然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线; 
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点,就可以近似得到电机的U相反电势波形; 
3.逆时针旋转电机轴,可见编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点重合。 

上述验证方法,也可以用作对齐方法。 

由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息,而Z信号也只能反映一圈内的一个点位,不具备直接的相位对齐潜力,因而不作为本讨论的话题。 

绝对式编码器的相位对齐方式 

绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言,差别不大,其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平,利用此电平的0和1的翻转,也可以实现编码器和电机的相位对齐,方法如下: 

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察最高计数位信号的跳变沿,直到跳变沿准确出现在电机轴的定向平衡位置处,锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,跳变沿都能准确复现,则对齐有效。 

这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT,BiSS,Hyperface等串行协议,以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代,因而最高位信号就不符存在了,此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化,其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM,存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下: 

1.将编码器随机安装在电机上,即固结编码器转轴与电机轴,以及编码器外壳与电机外壳; 
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值,并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中; 
4.对齐过程结束。 

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向,因此存入的编码器内部EEPROM中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后,驱动器将任意时刻的单圈位置检测数据与这个存储值做差,并根据电机极对数进行必要的换算,再加上-30度,就可以得到该时刻的电机电角度相位。 

这种对齐方式需要编码器和伺服驱动器的支持和配合方能实现,日系伺服的编码器相位之所以不便于最终用户直接调整的根本原因就在于不肯向用户提供这种对齐方式的功能界面和操作方法。这种对齐方法的一大好处是,只需向电机绕组提供确定相序和方向的转子定向电流,无需调整编码器和电机轴之间的角度关系,因而编码器可以以任意初始角度直接安装在电机上,且无需精细,甚至简单的调整过程,操作简单,工艺性好。 
如果绝对式编码器既没有可供使用的EEPROM,又没有可供检测的最高计数位引脚,则对齐方法会相对复杂。如果驱动器支持单圈绝对位置信息的读出和显示,则可以考虑: 

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.利用伺服驱动器读取并显示绝对编码器的单圈位置值; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.经过上述调整,使显示的单圈绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的单圈绝对位置点,锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,上述折算位置点都能准确复现,则对齐有效。 

如果用户连绝对值信息都无法获得,那么就只能借助原厂的专用工装,一边检测绝对位置检测值,一边检测电机电角度相位,利用工装,调整编码器和电机的相对角位置关系,将编码器相位与电机电角度相位相互对齐,然后再锁定。这样一来,用户就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。 

个人推荐采用在EEPROM中存储初始安装位置的方法,简单,实用,适应性好,便于向用户开放,以便用户自行安装编码器,并完成电机电角度的相位整定。 


正余弦编码器的相位对齐方式 

普通的正余弦编码器具备一对正交的sin,cos 1Vp-p信号,相当于方波信号的增量式编码器的AB正交信号,每圈会重复许许多多个信号周期,比如2048等;以及一个窄幅的对称三角波Index信号,相当于增量式编码器的Z信号,一圈一般出现一个;这种正余弦编码器实质上也是一种增量式编码器。另一种正余弦编码器除了具备上述正交的sin、cos信号外,还具备一对一圈只出现一个信号周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信号,如果以C信号为sin,则D信号为cos,逆时针旋转编码器轴,相当于Z信号的Index信号一般会对齐于C信号由低到高的过零点。通过sin、cos信号的高倍率细分技术,不仅可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的名义检测分辨率,比如2048线的正余弦编码器经2048细分后,就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率,当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统,而国内厂家尚不多见;此外带C、D信号的正余弦编码器的C、D信号经过细分后,还可以提供较高的每转绝对位置信息,比如每转2048个绝对位置,因此带C、D信号的正余弦编码器可以视作一种模拟式的单圈绝对编码器。 

采用这种编码器的伺服电机的初始电角度相位对齐方式如下: 
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察正余弦编码器的C信号和Index信号波形; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察C信号和Index信号波形,直到C信号的过零点或Index信号的有效电平准确出现在电机轴的定向平衡位置处,锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,C信号的过零点或Index信号的有效电平都能准确复现,则对齐有效。 

撤掉直流电源后,验证如下: 
1.用示波器观察编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形; 
2.逆时针转动电机轴,编码器的C相信号由低到高的过零点或Index信号的跳变沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。 

这种验证方法,也可以用作对齐方法。 

此时C信号的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。 

如果想直接和电机电角度的0度点对齐,可以考虑: 

1.用一个直流电源给电机的UVW绕组通以小于额定电流的直流电,VW入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察编码器的C信号和Index信号波形; 
3.调整编码器转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察C信号和Index信号波形,直到C信号的过零点或Index信号的有效电平准确出现在电机轴的定向平衡位置处,锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,C信号的过零点或Index信号的有效电平都能稳定在高电平上,则对齐有效。 
验证方法如下: 

1.用3个阻值相等的电阻接成星型,然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线; 
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点,就可以近似得到电机的U相反电势波形; 
3.逆时针旋转编码器轴,观察编码器的C相信号由低到高的过零点或Index信号的跳变沿应该与电机U相反电势波形由低到高的过零点重合。 

上述验证方法,也可以用作对齐方法。 

由于普通正余弦编码器不具备一圈之内的相位信息,而Index信号也只能反映一圈内的一个点位,不具备直接的相位对齐潜力,因而在此也不作为讨论的话题。 

如果可接入正余弦编码器的伺服驱动器能够为用户提供从C、D中获取的单圈绝对位置信息,则可以考虑: 
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.利用伺服驱动器读取并显示从C、D信号中获取的单圈绝对位置信息; 
3.调整旋变轴与电机轴的相对位置; 
4.经过上述调整,使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点,锁定编码器与电机的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,上述折算绝对位置点都能准确复现,则对齐有效。 

此后可以在撤掉直流电源后,得到与前面基本相同的对齐验证效果: 
1.用示波器观察正余弦编码器的C相信号和电机的UV线反电势波形; 
2.转动电机轴,验证编码器的C相信号由低到高的过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。 

如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器,也可以存储正余弦编码器随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下: 
1.将正余弦随机安装在电机上,即固结编码器转轴与电机轴,以及编码器外壳与电机外壳; 
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
3.用伺服驱动器读取由C、D信号解析出来的单圈绝对位置值,并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中; 
4.对齐过程结束。 

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向,因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后,驱动器将任意时刻由编码器解析出来的与电角度相关的单圈绝对位置值与这个存储值做差,并根据电机极对数进行必要的换算,再加上-30度,就可以得到该时刻的电机电角度相位。 

这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现,而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中,因此一旦对齐后,电机就和驱动器事实上绑定了,如果需要更换电机、正余弦编码器、或者驱动器,都需要重新进行初始安装相位的对齐操作,并重新绑定电机和驱动器的配套关系。 


旋转变压器的相位对齐方式 

旋转变压器简称旋变,是由经过特殊电磁设计的高性能硅钢叠片和漆包线构成的,相比于采用光电技术的编码器而言,具有耐热,耐振。耐冲击,耐油污,甚至耐腐蚀等恶劣工作环境的适应能力,因而为武器系统等工况恶劣的应用广泛采用,一对极(单速)的旋变可以视作一种单圈绝对式反馈系统,应用也最为广泛,因而在此仅以单速旋变为讨论对象,多速旋变与伺服电机配套,个人认为其极对数最好采用电机极对数的约数,一便于电机度的对应和极对数分解。 

旋变的信号引线一般为6根,分为3组,分别对应一个激励线圈,和2个正交的感应线圈,激励线圈接受输入的正弦型激励信号,感应线圈依据旋变转定子的相互角位置关系,感应出来具有SIN和COS包络的检测信号。旋变SIN和COS输出信号是根据转定子之间的角度对激励正弦信号的调制结果,如果激励信号是sinωt,转定子之间的电角度为θ,则SIN信号为sinωt×sinθ,则COS信号为sinωt×cosθ,根据SIN,COS信号和原始的激励信号,通过必要的检测电路,就可以获得较高分辨率的位置检测结果,目前商用旋变系统的检测分辨率可以达到每圈2的12次方,即4096,而科学研究和航空航天系统甚至可以达到2的20次方以上,不过体积和成本也都非常可观。 

在此,假定旋变转子CCW旋转时,旋变的电角度相位递增,旋变转子CW旋转,旋变电角度相位递减。 

商用旋变与伺服电机电角度相位的对齐方法如下: 

1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出; 
2.然后用示波器观察旋变的SIN线圈的信号引线输出; 
3.依据操作的方便程度,调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置,或者旋变定子与电机外壳的相对位置; 
4.一边调整,一边观察旋变SIN信号的包络,一直调整到信号包络的幅值完全归零,锁定旋变; 

(4‘).一边调整,一边观察以旋变的Sin信号为横轴、激励信号为纵轴的李萨如图,直到李萨如图成为一条与纵坐标重合的垂线,且向CCW方向扭动该垂线偏向1、3象限,向CW方向扭动该垂线偏向2、4象限, 锁定旋变; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,信号包络的幅值过零点都能准确复现,或者李萨如图都能与纵坐标重合为一条垂线,则对齐有效 。 

撤掉直流电源,进行对齐验证: 
1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形; 
2.转动电机轴,验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。 

这个验证方法,也可以用作对齐方法。 

此时SIN信号包络的过零点与电机电角度相位的-30度点对齐。 

如果想直接和电机电角度的0度点对齐,可以考虑: 

1.用一个直流电源给电机的UVW绕组通以小于额定电流的直流电,VW入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.用示波器观察旋变的SIN信号; 
3.调整旋变转轴与电机轴的相对位置; 
4.一边调整,一边观察SIN信号的包络波形,一直调整到信号包络的幅值完全归零,锁定旋变; 
(4‘).一边调整,一边观察以旋变的Sin信号为横轴、激励信号为纵轴的李萨如图,直到李萨如图成为一条与纵坐标重合的垂线,且向CCW方向扭动该垂线偏向1、3象限,向CW方向扭动该垂线偏向2、4象限, 锁定旋变; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,信号包络的幅值过零点都能准确复现,或者李萨如图都能与纵坐标重合为一条垂线,则对齐有效 。 


验证方法如下: 
1.用3个阻值相等的电阻接成星型,然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线; 
2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点,就可以近似得到电机的U相反电势波形; 
3.用示波器观察旋变的SIN信号包络的过零点和电机U相反电势波形由低到高的过零点,这2个过零点应该重合。 

上述验证方法,也可以用作对齐方法。 


需要指出的是,在上述操作中需有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周。由于SIN信号是以转定子之间的角度为θ的sinθ值对激励信号的调制结果,因而与sinθ的正半周对应的SIN信号包络中,被调制的激励信号与原始激励信号同相,而与sinθ的负半周对应的SIN信号包络中,被调制的激励信号与原始激励信号反相,据此可以区别判断旋变输出的SIN包络信号波形中的正半周和负半周,对齐时,需要取sinθ由负半周向正半周过渡点对应的SIN包络信号的过零点,如果取反了,或者未加准确判断的话,对齐后的电角度有可能错位180度,从而有可能造成速度外环进入正反馈。 


如果可接入旋变的伺服驱动器能够为用户提供从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息,则可以考虑: 
1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
2.利用伺服驱动器读取并显示从旋变信号中获取的与电机电角度相关的绝对位置信息; 
3.依据操作的方便程度,调整旋变轴与电机轴的相对位置,或者旋变外壳与电机外壳的相对位置; 
4.经过上述调整,使显示的绝对位置值充分接近根据电机的极对数折算出来的电机-30度电角度所应对应的绝对位置点,锁定旋变动子与电机轴的相对位置关系; 
5.来回扭转电机轴,撒手后,若电机轴每次自由回复到平衡位置时,上述折算绝对位置点都能准确复现,则对齐有效。 

此后可以在撤掉直流电源后,得到与前面基本相同的对齐验证效果: 
1.用示波器观察旋变的SIN信号和电机的UV线反电势波形; 
2.转动电机轴,验证旋变的SIN信号包络过零点与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合。 

如果利用驱动器内部的EEPROM等非易失性存储器,也可以存储旋变随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下: 
1.将旋变随机安装在电机上,即固结旋变转轴与电机轴,以及旋变外壳与电机外壳; 
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,V入,U出,将电机轴定向至一个平衡位置; 
3.用伺服驱动器读取由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值,并存入驱动器内部记录电机电角度初始安装相位的EEPROM等非易失性存储器中; 
4.对齐过程结束。 

由于此时电机轴已定向于电角度相位的-30度方向,因此存入的驱动器内部EEPROM等非易失性存储器中的位置检测值就对应电机电角度的-30度相位。此后,驱动器将任意时刻由旋变解析出来的与电角度相关的绝对位置值与这个存储值做差,并根据电机极对数进行必要的换算,再加上-30度,就可以得到该时刻的电机电角度相位。 

这种对齐方式需要伺服驱动器的在国内和操作上予以支持和配合方能实现,而且由于记录电机电角度初始相位的EEPROM等非易失性存储器位于伺服驱动器中,因此一旦对齐后,电机就和驱动器事实上绑定了,如果需要更换电机、旋变、或者驱动器,都需要重新进行初始安装相位的对齐操作,并重新绑定电机和驱动器的配套关系。 

注意 

1.以上讨论中,所谓对齐到电机电角度的-30度相位的提法,是以UV反电势波形滞后于U相30度的前提为条件。 

2.以上讨论中,都以VU相通电,并参考UV线反电势波形为例,有些伺服系统的对齐方式可能会采用UW相通电并参考UW线反电势波形。 

3.如果想直接对齐到电机电角度0度相位点,也可以将U相接入低压直流源的负端,将V相和W相并联后接入直流源的正端,此时电机轴的定向角相对于UV相串联通电的方式会偏移30度,以文中给出的相应对齐方法对齐后,原则上将对齐于电机电角度的0度相位,而不再有-30度的偏移量。这样做看似有好处,但是考虑电机绕组的参数不一致性,V相和W相并联后,分别流经V相和W相绕组的电流很可能并不一致,从而会影响电机轴定向角度的准确性。而在VU相通电时,U相和V相绕组为单纯的串联关系,因此流经U相和V相绕组的电流必然是一致的,电机轴定向角度的准确性不会受到绕组定向电流的影响。 


4.不排除伺服厂商有意将初始相位错位对齐的可能性,尤其是在可以提供绝对位置数据的反馈系统中,初始相位的错位对齐将很容易被数据的偏置量补偿回来,以此种方式也许可以起到某种保护自己产品线的作用。只是这样一来,用户就更加无从知道伺服电机反馈元件的初始相位到底该对齐到哪儿了。用户自然也不愿意遇到这样的供应商。 



电角度相位对齐的基本方法总结 



1.波形观察法 

适用于带换相信号的增量式编码器、正余弦编码、旋转变压器。 

1) 以示波器直接观察UV线反电势波形过零点与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到-30度电角度相位; 

2) 以阻值范围适当的三个等值电阻构成星形,接入永磁伺服电机的UVW动力线,以示波器观察U相动力线与星形等值电阻的中心点之间的虚拟U相反电势波形与与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点; 

2.转子定向法 

适用于带换相信号的增量式编码器、正余弦编码、旋转变压器的波形对齐,或者绝对式编码器和正余弦编码、旋转变压器等按可提供单圈绝对位置数值信息对齐。 

1) 将V相接入低压直流源的正极,U相接入直流源的负端,定向电机轴 

此后一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边以示波器观察传感器信号,直到U相信号上升沿或Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到 -30度电角度相位; 

也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边设法观察单圈绝对位置的数值信息,直到数据零位准确复现,以此方法也可以将传感器的单圈绝对位置零点对齐到 -30度电角度相位; 

如果事先估算出 -30度电角度对应的单圈绝对位置的数值,还可以调整传感器与电机的相对位置关系,直到该数值准确复现,就可以将单圈绝对位置零点直接对齐到电角度相位0点(该方法可能比将在下一面 2) 中总结的后一条方法精确度更好一些); 

当然也完全可以不调整传感器与电机的相对位置关系,而是简单地随机安装编码器,把读取到的单圈绝对位置信息作为初始安装的偏置值,通过后续运算,实现单圈绝对位置信息和电角度相位零点的逻辑对齐,该方法的人工操作要求最低。 


2) 将U相接入低压直流源的负极,将V相和W相并联后接入直流源的正极,定向电机轴 

此后一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边以示波器观察传感器信号,直到U相信号上升沿或Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点; 

也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边设法观察单圈绝对位置的数值信息,直到数据零位准确复现,以此方法也可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点。 



欢迎指正! 



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(2008.10.5 起草,10.6完成初稿) 

(2008.10.10,10.11两次补充修订旋变有关部分) 

(2008.10.12补充修订正余弦编码器有关部分) 

(2008.11.8补充编码器相位为什么需要与伺服电机转子磁极相位对齐部分) 

(2008.12.4 补充电角度相位对齐的基本方法总结) 

(2009.2.18 补充电角度的描述并修改矢量坐标图) 

(2009.12.6,12.8 更正转子定向电流的注入极性,更正电机图例中的永磁极性与d轴的关系,更正几种定向电流矢量的电角度值) 

(2010.6.22,补充以李萨如图对齐旋变相位的方法) 

(2011.3.14,修改图6,及图6后面的说明文字) 

 

(2011.11.1,此帖从本版网友“叫我小白”在其gkong博客“工控TIME”上的最新转载中重获新生,丢失内容已全部恢复,在此向“叫我小白”致以最最诚挚的谢意!)

 

(友情提示:自2012年4月26日起,楼主不再回复本帖)




CGP888

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发表于:2008-10-22 20:13:49
61楼

呵呵,波恩先生很幽默,暂且不谈蚂蚁的安全,只是要求电梯对乘客的安全和舒适感很讲究,

我关心的是"变频器能否产生一个类似直流电源的输出呢?即产生一个U入、V出的直流电源。如果能,又是怎样实现的呢?"这个迷团困惑着我,因为你前面讲的一直是用直流电源检测永磁同步电机转子磁极的初始位置.

还有永磁同步电机在电梯上的节能问题,并不是很明显,因为这样的系统一般都采用2:1系统,节能的同时原材料的投资也不少,到底哪个合算,很难说,

在中\高速梯中使用双PWM的变频器,将电梯中的再生能量反馈回电网,我认为才是真正意义上的节能.

CGP888

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发表于:2008-10-22 20:25:52
62楼
通力电梯的曳引机用的是轴向马达(盘式永磁同步电机),其他厂家:三菱\奥的斯\迅达等大都用的是径向马达,目前电梯口的同志都急于想了解一下盘式永磁电机的工作原理,我们很想听听波恩先生对此的解析.

CGP888

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发表于:2008-10-22 20:31:52
63楼
电梯中的驱动器"(变频器)目前以西威\安川\科比\富士\新时达等为常见,三菱公司、天津奥的斯公司、日立公司、东芝公司等大点制造厂家变频系统是自己开发的。

波恩

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发表于:2008-10-23 08:48:57
64楼

呵呵,幽默的不是本人,而是“firstrator”,电梯行业使用正余弦编码器意在“要求电梯对乘客的安全和舒适感很讲究”本人也早就有所耳闻,至于节能确实可能只是口号,毕竟可逆回馈的造价不菲,堪比一个同等功率等级的驱动器了。

“CGP”应该是没有仔细看我在56楼的回帖,其中提及的“无非就是将电流矢量的幅值和角度约束为目标值”就是在“电流闭环型矢量变频”中“产生U入、V出的直流”的方法,比如:

图中的电角度60度点,就恰好是U正,V负,且幅值相等,而W为0,以此角度输出幅值受限在电机额定点以内的电流矢量,就可以达到目的了。

CGP888对电梯行业的曳引机用电机和驱动器几乎如数家珍,着实人我这样的行外人士打开眼界呀!
至于轴向气隙的盘式电机和径向气隙的扁平式电机,其实径向气隙的扁平式电机与数控行业的直驱力矩伺服电机(DDR)没有什么本质区别,而盘式电机的电磁原理也没有差别,只是电磁结构的布局方式的改变,意大利的Phase具有盘式结构的大直径力矩电机,他们为欧洲航天局做的天文望远镜用的盘式电机直径高达10米以上,力矩几十万Nm。
盘式力矩电机的结构又可以分为多段式弧形“直线”电机拼接结构,和整体绕制的盘式定子结构等2大类,当然了印刷绕组电机或某些新式绕组的电机也许也可以看作是盘式电机。多段式弧形“直线”电机拼接结构的优势是便于构建大型电机,而整体绕制的盘式定子结构的优势则在于冲片成本,据说这种结构最早是芬兰人搞出来的,并持有相关专利,北京密云就有一家引进此种盘式异步电机生产线的水库移民工厂。

石 工

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发表于:2008-10-23 13:23:59
65楼
波恩先生,您提到:

“这类绝对式编码器目前已经被采用EnDAT,BiSS,Hyperface等串行协议,以及日系专用串行协议的新型绝对式编码器广泛取代,因而最高位信号就不符存在了,此时对齐编码器和电机相位的方法也有所变化,其中一种非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM,存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位,具体方法如下:

1.将编码器随机安装在电机上,即固结编码器转轴与电机轴,以及编码器外壳与电机外壳;
2.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电,U入,V出,将电机轴定向至一个平衡位置;
3.用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值,并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中;
4.对齐过程结束。 ”

为何不能直接用驱动器本身的EEPROM呢? 敬请释疑!!!

波恩

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发表于:2008-10-23 14:55:40
66楼

本家兄弟问的好,虽然在正余弦编码器和旋变的初始相位对齐方式中,也提及了“直接用驱动器本身的EEPROM”的方法,但未在采用串行协议的绝对式编码器中提这种方法的原因在于:此类编码器基本上都可以提供几十到几百字节以上的用户可编程的EEPROM空间,因而相位对齐信息可以直接写入编码器内部的EEPROM,使得对齐后的相位信息能够跟着电机走,而不是跟着驱动器走,在更换电机或驱动器时,驱动器只需读取跟着电机走的编码器内EEPROM中存储的相位对齐信息就可以了,而不必再次执行相位对此操作。

当然了,如果一定要存在驱动器的EEPROM中也是完全可行的,只是每次调换电机或驱动器都得重新执行相位对齐操作而已。

石 工

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发表于:2008-10-23 15:14:46
67楼

波恩先生的知识非常广博,本人深表钦佩!!!

firstrazor

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发表于:2008-10-23 17:11:48
68楼
感谢指点!想起来了,扁平直驱电机用于电梯,只是变频器这个称呼让我有点糊涂了。

CGP888

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发表于:2008-10-23 22:04:20
69楼

波恩先生您真了不起,终于把我点播通了,好长时间了,我一直在求教这个问题,始终没有遇到老师,难得啊!

电梯中还有一个典型的"零伺服功能",即在电梯接近零速时,要求变频器仍有150%额定转矩的输出,目的维持轿厢与对重的平衡关系.这个"零伺服功能"的原理也应该用上面的理论解释吧.

CGP888

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发表于:2008-10-23 22:54:56
70楼

还想问一下波恩先生:变频器处于这种状态(电角度60度点)的时刻可任意设置吗?




波恩

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发表于:2008-10-24 08:26:08
71楼

没什么!对业内朋友有所助益救市本帖的目的。

所谓前面所述的“电角度60度点”的电流矢量输出状态,就是人为给定“电流矢量”的角度,而不是根据编码器反馈自动调整电角度,因此作为一种功能性操作,就可以在任何时刻启用这种人为给定的模式。

零速保持力矩对于一个伺服而言是非常容易达成的目标,与本帖讨论的电角度相位对齐方式并无直接关系,而是速度环或者位置环调节需要做的事情,建议“CGP888”查阅相关书籍或文献。

另外,零速输出力矩为什么是额定的150%,而不是100%,本人多有不解,难道电梯驱动允许较长时间的过载?低于一般意义的伺服而言,过载驱动的允许时间往往是很短甚至极短的。

CGP888

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发表于:2008-10-24 21:01:33
72楼

谢谢指教,电梯在接近平层时,需要零伺服力矩功能,这时变频器输出的伺服力矩满足外界负载的平衡关系就行,确实不一定是额定力矩的150%,我弄混了,抱歉!

波恩先生给推荐一本这方面的书怎样?

CGP888

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发表于:2008-10-24 21:23:03
73楼
哦? 给推荐一本伺服控制方面的书,我真是小学生,总是表达不明白

CGP888

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发表于:2008-10-25 20:03:41
74楼

波恩先生给有没有正余弦编码器的结构图片啊?

编码器光栅据说是用激光刻划成? "明暗相间"的条纹.这种"暗"可以理解成是"遮光部分"吗?

编码器中光电耦合装置的快速响应性怎样?设计运转寿命又如何呢?

刘岩利

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发表于:2008-10-25 20:22:46
75楼
"明暗相间"的条纹.这种"暗"可以理解成是"遮光部分"吗?
对于透射式的,就是透光/遮光。对于反射式的,就是反光(白)/不反光(黑)

波恩

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发表于:2008-10-25 21:12:05
76楼

不妨看看下面帖子中的第二本书:沈阳工业大学的郭庆鼎老师的《现代永磁电动机交流伺服系统》

http://www.gongkong.com/Forum/ForumTopic.aspx?Id=3-9176-3BDA66E885F1

刘版主对于刻线的解释和到位,至于响应速度和使用寿命,请具体参阅编码器厂家的选型手册或直接咨询厂家。

?

中原龙

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发表于:2008-10-26 17:18:51
77楼
学习了,?????????????????????????????????????????????????

波恩

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发表于:2008-10-27 10:43:15
78楼

光栅盘片生产过程是采用光刻工艺,类似于IC制程的掩膜工艺,光刻所需的掩膜盘,即母盘据说是以高精度物理方法刻制的,光刻则只是对母盘的复制过程。

这是海德汉手册给出的正余弦编码器盘片示意图
这是海德汉手册给出的带UVW换相信号的增量式编码器盘片示意图
这是Avago公司的绝对式编码器模块和盘片的照片

kkwang

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发表于:2008-10-27 18:42:11
79楼

TO:波恩

真是太感谢你的帖子了,让我了解了很多以前不知道的东西,但因为本人才疏学浅,在具体按你的方法操作时遇到一些问题,还需要向您请教,感谢了,拜托了!

看到你方法后,我专门去买了一台100MHZ的示波器来了解怎样调整伺服马达编码器位置问题,我的问题是这样的:

1.伺服马达我从U通入12V(DC),V(接0V电源)向流出,马达有转动的动作,在一周范围内有4个点定位,相互角度是90度。

2.我看了一下伺服马达的编码器,共有6根型号线,也是看了你的文章后才知道叫旋转变压器,共有6根线,但我不能分辨励磁线圈和感应线圈。

3.假若1#和2#线为一组感应线圈,我在用示波器测量时用探头连接1#线,2#线接示波器的地线吗?我这样做后无论是给U/V加直流电还是用手转动马达轴心都不能在示波器上调整出SIN或COS波形出来。

4.我现在做实验的伺服马达是好的,也就是编码器没有动过,我不了解SIN信号的包络的幅值完全归零是什么意思?是不是好的马达就不能看到SIN或COS波形?

敬请您的帮助,感谢!不便之处也可以E-mail联系,kkwang@126.com,迫切希望您的回复,再次感谢!!!

CGP888

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发表于:2008-10-27 21:19:41
80楼

波恩先生:能把码盘的刻线标注一下吗?第一个图外圈光栅:A、B相,依次向内是:SIN(黄)、COS(红)、兰色代表什么?粉白色呢?哪个是Z相呢?

有人说:象黄色环、粉红色环等是采用相位阵技术,不知是否有道理?


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