伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方法[原创] 点击:116295 | 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! 



版权声明:本帖自首发之时起一直本着技术普及和公知公益原则,默许业内朋友出于不同的目的多处转载、张贴本文,在此谨要求转载者注明原文出处,上载到文献类网站,比如豆丁、百度文库等,请务必免除下载费用或积分。 



(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)




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发表于:2012-02-17 14:29:19
1021楼

请问下富士伺服电机GYS751DC2 怎么归零的,谢谢,编码器型号是:TS5668N021

波恩

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发表于:2012-02-17 22:21:11
1022楼
只有型号或外形图,没有编码器的引脚和信号定义,还是无法分析,见谅!

芝麻开门

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发表于:2012-02-27 22:44:02
1023楼
波恩大侠,-30°,是U入V处吧?我实测过的。0°则是U入,VW出。

波恩

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发表于:2012-02-28 08:10:44
1024楼

这个问题问得很好!

 

本帖的方法确是以V入U出为-30°,VW入U出为0°。

芝麻开门

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发表于:2012-02-28 11:33:08
1025楼

波恩大侠的方法也是经过反复论证的,我一直怀疑自己的判别方法。我的方法如下:

在给电机电角度θ=0、Q轴分量Uq=0、D轴分量Uq=5000(满额)的情况下去测量电机UVW的电流,为U入、VW出。

我的分析:这个时候应该相当于给定D轴或α轴(θ=0它们此时重合)正方向一常值,也就是U轴正方向(Foc理论α轴、U方向一致)一常值,经过坐标变换后产生三相PWM波形脉宽TU-TV>0、TU-TW>0,脉宽和电压是对应的,那么可以推导出Vuv>0、Vuw>0,加载在绕组上的电压就会U高、VW低,绕组中产生的也应该是直流电流,U入、VW出,符合试验结果。

         我试验时是主动按照FOC的矢量关系,开环的给出的一个控制量(θ=0、Ud=k、Uq=0)不考虑转子、定子的偏移量,转子最终应该停在磁场方向重合的位置。然后再在此基础上,转动编码器轴,产生U编码信号上跳点,锁紧编码器轴与转子的位置,偏移量校正完成,这个过程和波恩的方法应该相似。

        结论不一样是否有可能是两种试验电机中绕组的绕法不一样。比如顺时针和逆时针绕,产生的磁场方向应该不一样,假设是相反的绕法那么帖子中提到的150°实际上就是-30°呢?,这个是引起不一致的原因吗?

        

波恩

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发表于:2012-02-28 14:02:47
1026楼

这里面有几个定义和关系的问题:

1.什么是电角度的增加方向?

2.电角度增加方向与电机反电势波形的相序关系是什么?

3.d轴如何定义?或d轴与磁极极性的关系是怎样的?

 

按照本帖的方法,d轴落在转子气隙磁极的S极上,而非绝大多数教科书上所说的d轴落在N极上。因而,转子定向电流的方向恰好相反。这可能是原因所在。

但作为实践方法,个人以为只要具有可重复性,可验证性,可操作性就行,不必强求与书本一致。

波恩

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发表于:2012-02-28 14:06:27
1027楼
另,“在给电机电角度θ=0、Q轴分量Uq=0、D轴分量Ud=5000(满额)的情况下去测量电机UVW的电流,为U入、VW出。”———这个试验我也找机会在按照本帖方法对齐的情况试试,等有结果再来汇报。

yangsaiming

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发表于:2012-03-01 10:38:49
1028楼
没事 麻烦您了啊

liu149

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发表于:2012-03-01 11:02:28
1029楼

波恩老师:您好!我想请教一下,我有套伺服电机,编码器是2500线的,输出信号有A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,U+,U-,V+,V-,W+,W-,ABZ信号我明白了,UVW信号我理解为将伺服电机分为六个区,我的问题是如果UVW将伺服电机分为六个区,那么驱动器上电之后转子要处于六个区的中心位置,也就是上电之后转子必然处于六个位置之一,如果不在这六个位置要转动到这六个位置,这样就存在上电之后要转动的问题,但是实际是不管转子在什么位置,上电之后转子都处于保持状态,那这将是2500个位置呀(编码器是2500线的嘛),这不是不对吗?我想明白驱动器通过什么手段知道电机转子的当前位置的从而使驱动器上电之后电机转子处于保持状态。

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发表于:2012-03-10 09:11:37
1030楼

波恩先生,在维修驱动器或伺服电机时常常因为手上没有电机或驱动器而没办法试机,驱动器不接电机就的编码器故障,如果是走通信的编码器倒还可以理解,带UVW信号的增量式编码器刚一上电时电机并不动。不知驱动器是检测什么信号才报出警的呢?请波恩先生指教,这种报警有没办法屏蔽呢?

波恩

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发表于:2012-03-10 11:33:05
1031楼

配走通讯的编码器接口的驱动器报编码器故障,是因为通讯不正常,这确实容易理解。

走UVW的编码器报编码器故障,可能会采用检查UVW的逻辑组合是否合法,如果出现全0或全1,就可以认为编码器不存在,或故障。

 

如果不能修改驱动器的相关配置就无法屏蔽。通用伺服驱动器可能无法屏蔽该报警的居多。

波恩

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发表于:2012-03-10 20:07:32
1032楼

输出信号A+,A-,B+,B-,Z+,Z-,U+,U-,V+,V-,W+,W-的2500线编码器,A,B信号是正交增量信号,Z信号是每圈1个的原点标识信号,UVW信号是永磁同步伺服电机的电子换相信号,UVW信号彼此间互查120度,或1/3信号周期,1个UVW信号周期对应电机转子上1对永磁极的跨距,因而转子有几对永磁极,UVW就各自有几个信号周期,利用UVW的相位关系可以把1对永磁极的跨距,即360度电角度周期等分为6个区间。

驱动器上电后,读取UVW的电平组合,可以判断出转子处于6个等分区间的哪一个里,此时转子位于该区间随机位置上,而未必一定位于该区间的中心位置,因而据此判断出来的电角度误差宽达度。

不过这±30度的电角度误差并不至于严重影响转子上电伊始的出力能力,因而无论伺服处于位置/速度/力矩模式中的哪种工作模式下,电机都无需转动,就可以貌似正常的启动运行。若无指令,则在位置模式下可以实现锁轴,速度模式下可以实现零速。

这就是为什么“不管转子在什么位置,上电之后转子都处于保持状态”,如果“编码器是2500线的”,驱动器工作与位置模式且无指令,驱动器就根据反馈执行位置闭环实现定位,把电机转子锁定在上电位置的±1/10000圈,即±1个反馈脉冲当量的范围之内。

精工变频维修

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发表于:2012-03-19 10:48:10
1033楼

波恩先生,我对一个国产品牌的驱动器试验了下,不接UVW线驱动器并不报警。z信号和A,B信号一个不能少。少一个就报警。你说奇怪不?还有一个电机他是对齐到了W入,V出。不知是对齐到了多少度。

波恩

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发表于:2012-03-19 14:14:32
1034楼

“不接(编码器)UVW线驱动器并不报警”———说明该驱动器没有根据UVW的不合理组态做报警监控。

 

“z信号和A,B信号一个不能少。少一个就报警”————是立刻报警? 还是转一圈才报警? 如果是前者,则可能利用了RS422线接收器的断线判断功能。

 

“对齐到了W入,V出”———按照本帖观点,是对齐到30度。参见下图:

cnc8168

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发表于:2012-04-02 18:47:02
1035楼
波恩老师:能否介绍下伺服电机换编码器后,用迈信驱动器调零 要简单点 理解有限 嘿嘿 cnc8168@163.com

波恩

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发表于:2012-04-03 13:15:07
1036楼

建议先明确伺服电机的编码器类型,如果是增量带UVW的,请参考本帖“增量式编码器的相位对齐方式”一节的主体思路进行对齐操作。

 

至于是对齐到0度还是 -30度,或者其它什么度数,建议咨询迈信。

 

还有具体疑问欢迎回帖。

精工变频维修

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发表于:2012-04-09 19:59:45
1037楼

波恩先生,今天观察一个德国产伺服电机的旋变信号,通入V入。W出直流电,转子三个平衡位置中有一个位置|COS信号过零。这是对齐到哪里了?通入W入,V出电流,同样有一个位置COS过零。这两个位置如何区分?谢谢。

波恩

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发表于:2012-04-09 21:16:51
1038楼

V入,W出,按本贴是对齐到-90度,COS过零,那么转90度,岂不是SIN过零了,所以应该是对齐到0度了。试试VW入,U出,验证一下是否SIN过零。

两个COS的过零点对应的机械角互差180度,对于旋变信号而言,对应的SIN信号与载波信号的相位关系应该互反。

精工变频维修

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发表于:2012-04-10 06:19:32
1039楼
21页怎么没有内容?

波恩

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发表于:2012-04-10 08:56:02
1040楼

请留意本帖“第1页”“22楼”旋变信号图中SIN,COS信号过零点2侧被调幅的载波信号与原始载波信号(红色)之间的相位关系。


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