伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方法[原创] 点击:116370 | 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)




yangsaiming

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发表于:2011-11-25 11:17:54
981楼
你好 是不是必须对Z相信号啊 但是我们每次都将z相信号对好后 转动马达转轴 z相都不能保持住 回到原来的高电平位置

系统报警

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发表于:2011-11-25 11:36:10
982楼

精品贴敬礼!顶一个。

yangsaiming

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发表于:2011-11-25 11:48:53
983楼
u相信号有四个嘛 是不是要把z相确定在u相里面 才算调好

波恩

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发表于:2011-11-25 17:23:16
984楼

一圈是有多个U信号周期,但只有一个Z,因而让Z出现在对齐点上/附近,最具可操作性,判断起来也简单。

手工操作时,对齐程度是个问题,锁紧后想保持主Z信号电平不变,确实有困难,个人以为能对齐到机械上±1度就不错了。

yangsaiming

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发表于:2011-11-26 17:18:42
985楼
谢谢 谢谢

liu03020349

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发表于:2011-11-30 05:05:55
986楼

新手上路,请教各位老手。

编码器用的是安华高的,码盘是在外面做的不锈钢的90线的。现在的问题是总是要不停的转动码盘找到某一个角度后,电机才能正常启动(编码器已经固定好了的)。这个问题是不是大家说的相位没对齐?

但是这个编码器又没有UVW信号的,又不能用贴里说的方法来对齐了,难道普通的增量式编码器的相位对齐不那么容易吗?

请指点。

精工变频维修

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发表于:2011-11-30 08:48:59
987楼

波恩先生。上图的齿轮我今天我观察了下。那三个黑齿轮上的码道好你是一们的。最外沿平均分配有8个小块。那个白色有记号的齿轮转动一圈,第一个黑色齿轮转过一个小块。这样就是白色齿轮转一圈黑色齿轮记一位。这样我就有点不太理解为什么不是码盘转一圈记一位呢?轴齿轮是26齿,白色齿轮是48齿。这样就成了码盘转两圈少4个齿。黑色齿轮记一位。

波恩

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发表于:2011-11-30 09:44:49
988楼

3个黑色齿轮盘的上码道模式看起来是一致的!各有4圈。最外圈凸凹相间,共16等分;次外圈,4等分;次内圈,8等分,最内圈2等分。从布局看,不像是格雷码,更像是二进制码,但码型似乎并不自然连续。

 

前面已给出根据你提供的齿数,推测的传动比:

[(26:48)*(2448)*(1252)]*[(13n)*(n48)*(1252)]*[(13n)*(n48)*(12:52)]  = [1:16]*[1:16]*[1:16]  = 1:4096

个人以为,齿轮轴转2圈,第一个白齿轮(有标记的)转2圈多4个齿,黑齿轮恰好转过1/8圈(一个块)。因而第一个白齿轮每转一圈,黑齿轮并不是恰好转过1/8圈,而只是接近但没到1/8。这一点不妨让白齿轮多转几圈,看看黑齿轮的转角情况。

波恩

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发表于:2011-11-30 09:58:00
989楼

上面下划线相连的齿数为同轴的大小齿轮的齿数,n/n中的n为惰轮齿数,对传动比无贡献,只用于改变黑色齿轮组52-13与后级白齿轮组48-12的中心距,避免干涉。

波恩

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发表于:2011-11-30 10:02:09
990楼
to “liu03020349”:如果电机是永磁同步伺服电机,编码器只有AB增量信号和Z信号,而没有UVW的话,的确需要转过Z信号后才能找到电角度相位或转子磁极相位,此时本帖对齐方法并不适用。

精工变频维修

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发表于:2011-11-30 10:29:09
991楼
波恩先生,按你的分析码盘转一圈也就是齿轮轴转一圈。二进制数还是向前进一位的是吗?

波恩

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发表于:2011-11-30 15:06:10
992楼

是的!必须是盘片(齿轮轴)转一圈,多圈计数的二进制码增减1。

liu03020349

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发表于:2011-11-30 19:03:55
993楼

请问波恩:

如果是直流无刷电机呢,在编码器没有UVW的情况下,需要相位对齐吗。

有的人说不需要调,可我现在如果不调码盘的角度的话,基本上没有一台可以正常启动(也就是一点反应也没有)。

现在我都是装在机器上,然后通电,不停的转动码盘,然后锁紧,然后通电,看电机有没有反应,如果没反应就再转动码盘,然后锁紧,然后通电。直到正常。

这样子调整,一个电机如果运气不好要调两三个小时。。。汗。。。

请问有没有解决的办法呢。谢谢

波恩

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发表于:2011-12-01 09:08:41
994楼

无刷直流电机(BLDC)要正常启动就必须知道当时所处的磁极相位,这一点和永磁同步伺服电机(PMSM)基本上一样。

直接提供UVW电子换相信号是最简单,也最直观的处理思路。一般而言,对于BLDC的驱动UVW来自于霍尔元件,也可以来自于码盘。

如果没有UVW,也有做无传感器方案的,这一点已超出本帖的讨论范围和本人的经验能力,楼上如果真感兴趣,建议亲自查阅有关资料和方法。

从楼上所述情况看,一旦正常启动了,换相区间的刷新应该没有问题了,问题在于起始相位区间的选择,如果实在无法提供UVW,也不打算做无传感器方案,不妨试试以下土招:

启动前先做固定电角度区间的转子定向,然后以定向区间选择起始区间,再结合90线码盘的反馈,实时刷新换相区间。

波恩

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发表于:2011-12-01 09:45:38
995楼

yangsaiming

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发表于:2011-12-02 08:42:09
996楼
我想请问一下什么是旋变SIN信号的包络

波恩

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发表于:2011-12-02 10:43:44
997楼
所谓包络是就是调幅信号中载波信号的幅值变化趋势,比如本帖第1页,22楼的第一张图中的绿线和蓝线,其频率与红线相同,但幅值和相位不同,图中沿幅值变化趋势描出的细线就是一条包络线。

王主

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发表于:2011-12-03 17:49:56
998楼

波恩老师你好!刚看了你的贴,太经典了,感觉你知识渊博。请教:三凌伺服放大器警报“E9”是什么问题导致,怎么样维修啊?谢谢!

liu03020349

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发表于:2011-12-03 18:46:37
999楼

请问波恩,在网上找到另一做调零位的方法,可不知对无刷直流电机适用吗,没有UVW编码器信号适用吗

下述述两种调法完全取决于你的手工能力和熟练程度,一般来说,每款伺服电机都有自己专门的编码器自动调零软件.不外传仅是出于商业羸利和技术保密.如果你是一家正规的维修店,请不要采用以下方法,应通过正常渠道购买相应的专业设备.实践证明,手工调整如果技巧掌握得当,工作仔细负责,也可达到同样的效果.
大批量更换新编码器调零方法
第一步:折下损坏的编码器
第二步:把新的编码器按标准固定于损坏的电机上
第三步:按图纸找出Z信号和两根电源引出线,一般电源均为5V.
第四步:准备好一个有24V与5V两组输出电源的开关电源和一个略经改装的断线报警器,把0V线与Z信号线接到断线报警器的两个光耦隔离输入端上
第五步:在电机转动轮上固定一根二十厘米长的横杆,这样转动电机时转角精度很容易控制.
第六步:所有连线接好后用手一点点转动电机轮子直到报警器发出报警时即为编码器零位,前后反复感觉一下便
可获得最佳的位置,经实测用这种方法校正的零位误差极小,很适于批量调整,经实际使用完全合格.报警器也可用示波器代替,转动时当示波器上的电压波形电位由4V左右跳变0V时或由0V跳变为4V左右即是编码器的零位.这个也很方便而且更精确.杆子的长度越长精度则越高,实际使用还是用报警器更方便又省钱.只要用耳朵感知就行了.
在编码器的转子与定圈相邻处作好零位标记,然后拆下编码器,
第七步:找一个好的电机,用上述方法测定零位后在电机转轴与处壳相邻处作好电机的机械零位标记.
第八步:引出电机的U V W动力线,接入一个用可控制的测试端子上,按顺序分别对其中两相通入24V直流电,通电时间设为2秒左右,观察各个电机最终停止位置(即各相的机械零位位置)其中一个始必与刚才所作的机械零位标记是同一个位置.这就是厂方软件固定的电机机械零位,当然能通过厂方专用编码器测试软件直接更改编码器的初始零位数据就更方便了.
如果你只有一台坏掉的伺服电机,你就要根据以上获得的几个相对机械零位逐个测试是不是我们所要的那个位置,这一步由伺服放大器的试运行模式来进行测试.有关资料是必须的,否则不要轻易动手,以免损坏编码器.
第九步:把编码器装上电机后端,这一步要小心,以确保编码器零位记号和电机械械零位位置无偏移,最后固定柱头镙钉和可调固定底座..
对于同类电机来说获得了一个正确的零位位置后以后也就知道了24V的正负极该正确地连接至U V W的哪两个端子上,以后就不必再逐个搞试验了,这一型号的编码器调零算是搞定了.
第十步:正确连接电机与伺服放大器,并把工作模式定为试运行,各厂商的测试方式均有些差异,请仔细阅读说明书,如无任何硬件损坏,测试应当一次成功.
第十一步:用自动调谐功能自动设定合适的PID数据.以保证平稳运行的实际需要.
由于损坏的有些电机很难判别电机轴承是否能承受额定高速运转的要求,经这样处理的电机还应进行抽样力矩测试和轴承测试,如果轴承磨损严重,应同时更换轴承.

波恩

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发表于:2011-12-04 09:50:19
1000楼

适用于无刷直流电机。

 

但并不解决用无UVW的编码器的问题。用无UVW编码器的问题焦点在于如何判断起始相位,与Z点对齐方法并无直接关系。


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