伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方法[原创] 点击:116497 | 回复:1106



波恩

    
  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
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)




四伏忍

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:3帖 | 79回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:180
  • 注册:2004年2月12日
发表于:2008-11-27 14:52:07
121楼

受益非浅!顶!!!!!!!!!!!!!!!!!

kkwang

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 11回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:53
  • 注册:2008年9月29日
发表于:2008-12-02 11:30:39
122楼

TO:波恩

当施加U入,V出的转子定向电流时,因为电机的极数不同而定位的位置也不同,当是6极电机时有3个定位点,但我发现一个问题每个定位点检测出来的SIN信号都不同,这就有另外一个问题,若使用你以前的方法(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,U入,V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;
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,则对齐有效 。)

就不知道使用那个定位点来调整。另外在测试时还发现,我使用一个全新的马达(旋转变压器方式),当施加U入,V出的转子定向电流时,我测出来的SIN信号并不是信号包络的幅值完全归零,我很想请教波恩,这又是为什么呢?

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-02 17:23:05
123楼

关于使用6极电机的哪个定位点的问题:要看所用旋变的规格,是单速(每周一个正余弦包络)的还是3倍速的,若是单速的就任选一个定位点,如实3速的,建议先对齐一点,在核查其它点,然后适当折衷,以均化电机极对和旋变极对之间的误差。

 

关于SIN信号并不是信号包络的幅值完全归零的问题:估计是测量方法问题,是不是存在直流偏置?或者拉开时基和垂直分辨率令信号展宽、幅值放大试试。

kkwang

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 11回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:53
  • 注册:2008年9月29日
发表于:2008-12-04 12:25:06
124楼
TO:波恩
下图是我那个8极电机的展开图,因为马达的线圈烧坏,我们重新绕过线圈(线圈的绕法已经确认无误)。在使用你介绍的方法来调整过旋变的位置都没有成功。
没有办法我只能找一个好的马达做样本,当施加U入,V出的定子定向电流时比较两个马达旋变输出的SIN信号,当两个信号完全一样时锁定旋变位置。但是我们在安装马达时,马达可以定位,但马达在加负载时没力,没多久伺服就报警了,随后我们按经验再次调整旋变的位置后就OK了。我们好希望得到你的帮助。谢谢。

 

 

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-04 15:28:40
125楼

也就是说,经你们按经验调整后,电机已正常工作了是吗?

如果是,请对比好电机与修好的电机,看看旋变sin波形与UV线反电势或U相反电势之间相位关系的异同。

冷空气

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 3回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:0
  • 注册:1900年1月01日
发表于:2008-12-04 16:36:36
126楼

谢谢波恩师傅

 我是用豪迈加工中心的,一直搞不懂它的工作原理,现在看了你的帖子明白了很多。不过我还是有点不清楚,就是为什么机器在通电和没通电的情况下,都可以任意推动.都不会影响机器的运转。这是什么原理呢?不知道师傅是否了解《金田豪迈公司》的产品。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-04 17:29:19
127楼

机器断电后,XY轴的伺服电机失去动力,所以可以推得动,机器上电在运作时,一般都要执行返回参考点的动作,重新找到坐标原点,所以不会影响机器运作。

通电下如果也能推得动,呢就是没有使能伺服电机,电机尚未加电了。

kkwang

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 11回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:53
  • 注册:2008年9月29日
发表于:2008-12-04 18:05:05
128楼

TO:波恩

"也就是说,经你们按经验调整后,电机已正常工作了是吗? "
对呀,我们按经验大约调整了10度左右就可以。现在马达正常运转。

我们需要采用你的方法而不用上机台调整马达。你说要看看旋变sin波形与UV线反电势或相反电势之间的异同。对于这种方式我有看到你以前的帖子:
“如果想直接和电机电角度的0度点对齐,可以考虑:
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.依据操作的方便程度,调整编码器转轴与电机轴的相对位置,或者编码器外壳与电机外壳的相对位置;
4.一边调整,一边观察旋变的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,最终使这2个过零点重合,锁定编码器与电机的相对位置关系,完成对齐。 ”

我这里有两个问题需要请教:

1.在用示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点前,是不是要在马达U/V/W三相加直流电(+极),在星型中点接直流电负极。至于所加的3个电阻,大约需要多大?我们试过用100欧的电阻很快就冒烟了(电流0.3A),用1K电阻马达就一点反应都没有。我想你能建议用多大的电阻吗?

2.对于你以前提过的“区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周”的方法,我本人才疏学浅,真的看不明白,是用励磁信号的波形进行判断吗?你能不能把实际的操作讲的明白一些。

我在这里已经学了很多,麻烦之处还请原谅。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-04 21:37:50
129楼
原帖修订,在最后添加总结部分。

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-04 21:37:53
130楼

“kkwang”先前采用的UV通电定向电机转子的方法,可以将电机电角度相位对齐到 -30度,如果说根据经验再调整约10度(估计为机械度),对于4对极电机而言,相当于电角度调整了40度,这样看来有可能原系统的对齐方式不是 -30度,而可能是0度,或者其它什么度数。

 

如果适用星形等值电阻,就不要再通入直流电了,加星形电阻的目的是用于示波器观察虚拟的U相反电势,如果想用转子定向法对齐到电角度0度,可以看来U入,VW出的直流通电方法。

通入的直流电流应不高于电机额定电流。

星形电阻的选用原则是无感,等值,阻值不可过小,以免电机旋转起来的反电势作用其上后产生过大的电流,烧毁电阻。

但2种方法不要混用。

 

“区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周”的方法,可以参考励磁信号波形的相位进行判断

 

longwaves

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:1帖 | 153回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:305
  • 注册:2003年6月18日
发表于:2008-12-05 21:38:52
131楼

波恩老师,实打实的高手,有机会能做你的徒弟,真是人生一大荣幸啊!佩服!深刻透彻见底!

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-06 08:55:31
132楼
“longwaves”真有兴趣,可以来北京共事啊!

kkwang

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 11回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:53
  • 注册:2008年9月29日
发表于:2008-12-06 10:41:16
133楼

TO:波恩

我还是有两个问题需要向波恩先生问清楚:

1.在U/V/W三相加上星型等值电阻后,马达必须旋转才能用示波器观察虚拟的U相反电势吧,那马达旋转是加电还是用手动旋转呢?

2.下面是我们马达旋变编码器,在编码器上出厂时,编码器定子和转子上都有两个标记,我想是马达(欧洲)出厂时调整编码器位置所用上的,还请波恩先生帮忙分析一下。

谢谢!

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-06 20:39:14
134楼

1.必然不是让电机自己转,而是手动,或用其它电机带动,这样可以转动的均匀持久一些

2.有这种可能,您可以试着对齐一下,看看是否有符合性。

gxrcliu1

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:0帖 | 18回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:18
  • 注册:2008年5月14日
发表于:2008-12-21 18:55:34
135楼

波恩教授:

非常感谢你的无么奉献,我是一个初学者,有个问题想请教一下,我之前有看过一位国外的工程师来我厂调试设备的时候,因为公司没有示波器,他使用一个自制的电子电路来确定位置,当时的印象是使用了发光二极管,电阻和电池组,他是如何实现的,线路又是如何接的,麻烦帮助分析一下,谢谢!

波恩

  • 精华:10帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:203帖 | 11028回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:36300
  • 注册:2003年6月12日
发表于:2008-12-21 19:37:46
136楼

波恩怎么会成了“教授”?! 不过业内一个普通的工程师罢了!

楼上的问题分析起来需求一些前提条件,比如是什么类型的编码器?

先就增量式编码器做一个假设,过程可能是这样的,以电池和限流电阻对永磁伺服电机的UV绕组通电,使电机转子定向,然后用LED加限流电阻接在U信号上,调整编码器和电机转子的相对位置,直到LED定向点的平衡位置附近处于发光和熄灭的边缘,轻轻锁定电机轴,将LED和限流电阻移至Z信号上,微调编码器和电机转子的相对位置,令LED基本上可持续发光,锁定电机轴,左右转动电机轴,让电机轴自行回复到定向平衡位置,验证LED发光可复现,这样操作下来,就将电机电角度定位在-30度上了。

laosu

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:1帖 | 5回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:9
  • 注册:2008年6月08日
发表于:2008-12-25 13:27:08
137楼

波恩老师:

您好,我是一个初学者,想请教几个问题,希望得到您的帮助!

我有2个安川的伺服电机,一个750w 一个100w  有一个750w的安川伺服驱动器,都是西格玛2型的,编码器是增量型的。现在的情况是750w的电机的编码器坏掉了,没有办法试验;接100w电机 报匹配错误,清除报警后,可以试机状态运行。

问题是这样的

1、100w电机的编码器可以换到750w电机上面吗?(我看到安装尺寸相同)

2、如果可以更换,需要调整零位吗?(编码器整体更换)

行者无争

  • 精华:3帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:10帖 | 2797回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:3
  • 注册:2008年12月10日
发表于:2008-12-25 14:16:10
138楼
估计不能换,之所以“接100w电机 报匹配错误”就是因为编码器中记录了电机信息,估计安川向中国用户不会开放编码器中的电机信息。

具体能不能换,建议咨询安川。

laosu

  • 精华:0帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:1帖 | 5回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:9
  • 注册:2008年6月08日
发表于:2008-12-25 19:24:34
139楼

引用行者无争 的回复内容:估计不能换,之所以“接100w电机 报匹配错误”就是因为编码器中记录了电机信息,估计安川向中国用户不会开放编码器中的电机信息。

具体能不能换,建议咨询安川。


您的意思是说 编码器中的电机信息会在驱动中被使用,从而产生错误的驱动指令(比如电流、电压、频率)?

比如说,如果伺服系统识别到是100w的电机,就会按照100w电机的参数工作?

谢谢!

行者无争

  • 精华:3帖
  • 求助:0帖
  • 帖子:10帖 | 2797回
  • 年度积分:0
  • 历史总积分:3
  • 注册:2008年12月10日
发表于:2008-12-26 13:12:46
140楼
关键是安川的伺服体系中驱动器和电机之间多为一一对应的绑定关系,所以750W的驱动器只认750W的电机,100W的驱动器也只认100W的电机。

驱动器是“智能”,可以用于识别电机;但电机只是个铁疙瘩,无法告诉驱动器它到底是谁;这个工作就只有交给编码器做了,因此不同规格的电机所配的编码器就存有该规格电机的参数,甚至电角度初始相位。

总之对于日系通用伺服而言,编码器一般是无法由用户自行调换使用或更换。返厂维修编码器的成本甚至顶得上一个小功率伺服电机的成本,很多国内用户所使用的日系伺服电机,往往编码器报销了,电机也就一同报废,不再维修了,从而造成很大的浪费。

这就是日系伺服为保护自己的产品线强加在中国用户身上的成本。

国人当自强!

热门招聘
相关主题

官方公众号

智造工程师