伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子與編碼器位置對準(zhǔn)校正

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子與編碼器位置對準(zhǔn)校正..論壇中總是有人問及伺服電機(jī)編碼器相位與轉(zhuǎn)子磁極相位零點(diǎn)如何對齊的問題，這樣的問題論壇中多有回答，本人也曾在多個(gè)帖子有所回復(fù)，鑒于本人的回復(fù)較為零散，早就想整理集中一下，只是一直未能如愿，今借十一長假之際，將自己對這一問題的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)整理匯總一下，以供大家參考，或者有個(gè)全面的了解。

永磁交流伺服電機(jī)的編碼器相位為何要與轉(zhuǎn)子磁極相位對齊其唯一目的就是要達(dá)成矢量控制的目標(biāo)，使d軸勵(lì)磁分量和q軸出力分量解耦，令永磁交流伺服電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的電磁場始終正交于轉(zhuǎn)子永磁場，從而獲得最佳的出力效果，即“類直流特性”，這種控制方法也被稱為磁場定向控制（FOC），達(dá)成FOC控制目標(biāo)的外在表現(xiàn)就是永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，如下圖所示：圖1因此反推可知，只要想辦法令永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，就可以達(dá)成FOC控制目標(biāo)，使永磁交流伺服電機(jī)的初級電磁場與磁極永磁場正交，即波形間互差90度電角度，如下圖所示：圖2如何想辦法使永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致呢？由圖1可知，只要能夠隨時(shí)檢測到正弦型反電勢波形的電角度相位，然后就可以相對容易地根據(jù)電角度相位生成與反電勢波形一致的正弦型相電流波形了。

在此需要明示的是，永磁交流伺服電機(jī)的所謂電角度就是a相（U相）相反電勢波形的正弦（Sin）相位，因此相位對齊就可以轉(zhuǎn)化為編碼器相位與反電勢波形相位的對齊關(guān)系；另一方面，電角度也是轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的d軸（直軸）與定子坐標(biāo)系的a軸（U軸）或α軸之間的夾角，這一點(diǎn)有助于圖形化分析。

在實(shí)際操作中，歐美廠商習(xí)慣于采用給電機(jī)的繞組通以小于額定電流的直流電流使電機(jī)轉(zhuǎn)子定向的方法來對齊編碼器和轉(zhuǎn)子磁極的相位。當(dāng)電機(jī)的繞組通入小于額定電流的直流電流時(shí)，在無外力條件下，初級電磁場與磁極永磁場相互作用，會(huì)相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上，如下圖所示：圖3對比上面的圖3和圖2可見，雖然a相（U相）繞組（紅色）的位置同處于電磁場波形的峰值中心（特定角度），但FOC控制下，a相（U相）中心與永磁體的q軸對齊；而空載定向時(shí)，a相（U相）中心卻與d軸對齊。也就是說相對于初級（定子）繞組而言，次級（轉(zhuǎn)子）磁體坐標(biāo)系的d軸在空載定向時(shí)有會(huì)左移90度電角度，與FOC控制下q軸的原有位置重合，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子空載定向時(shí)a軸（U軸）或α軸與d軸間的對齊關(guān)系。

此時(shí)相位對齊到電角度0度，電機(jī)繞組中施加的轉(zhuǎn)子定向電流的方向?yàn)閎c相（VW相）入，a相（U相）出，由于b相（V相）與c相（W相）是并聯(lián)關(guān)系，流經(jīng)b相（V相）和c相（W相）的電流有可能出現(xiàn)不平衡，從而影響轉(zhuǎn)子定向的準(zhǔn)確性。

實(shí)用化的轉(zhuǎn)子定向電流施加方法是b相（V相）入，a相（U相）出，即a相（U相）與b相（V相）串聯(lián)，可獲得幅值完全一致的a相（U相）和b相（V相）電流，有利于定向的準(zhǔn)確性，此時(shí)a相（U相）繞組（紅色）的位置與d軸差30度電角度，即a軸（U軸）或α軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置上，如圖所示：圖4上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法對應(yīng)的繞組相反電勢波形和線反電勢，以及電角度的關(guān)系如下圖所示，棕色線為a軸（U軸）或α軸與d軸對齊，即直接對齊到電角度0點(diǎn)；紫色線為a軸（U軸）或α軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置，即對齊到-30度電角度點(diǎn)：圖5上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法在dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和abc（UVW）或αβ定子坐標(biāo)系中的矢量關(guān)系如圖6所示：圖6圖中棕色實(shí)線所示的d軸與a軸（U軸）或α軸對齊，即對齊到電角度0點(diǎn)。對齊方法是對電機(jī)繞組施加電角度相位固定為-90度的電流矢量，如圖中棕色虛線所示，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會(huì)移向FOC控制下電角度相位為-90度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與a軸或α軸重合的位置，并最終定向于該位置，即電角度0度。紫色實(shí)線所示的d

軸與a軸（U軸）或α軸相差30度，即對齊到-30度電角度點(diǎn)。對齊方法是對電機(jī)繞組施加電角度相位固定為-120度的電流矢量，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會(huì)移向在FOC下電角度相位為-120度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與a軸或α軸沿順時(shí)針方向相差30度的位置，并最終定向于該位置，即電角度-30度。

說明一點(diǎn)：文中有關(guān)U、V、W相和a、b、c相，U、V、W軸和a、b、c軸的敘述具有一一對應(yīng)關(guān)系。

主流的伺服電機(jī)位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。

增量式編碼器的相位對齊方式

在此討論中，增量式編碼器的輸出信號(hào)為方波信號(hào)，又可以分為帶換相信號(hào)的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，普通的增量式編碼器具備兩相正交方波脈沖輸出信號(hào)A和B，以及零位信號(hào)Z；帶換相信號(hào)的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號(hào)外，還具備互差120度的電子換相信號(hào)UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致。帶換相信號(hào)的增量式編碼器的UVW電子換相信號(hào)的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察編碼器的U相信號(hào)和Z信號(hào)；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信號(hào)跳變沿，和Z信號(hào)，直到Z信號(hào)穩(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號(hào)的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，Z信號(hào)都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。

撤掉直流電源后，驗(yàn)證如下：

1.用示波器觀察編碼器的U相信號(hào)和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，編碼器的U相信號(hào)上升沿與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合，編碼器的Z信號(hào)也出現(xiàn)在這個(gè)過零點(diǎn)上。

上述驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

需要注意的是，此時(shí)增量式編碼器的U相信號(hào)的相位零點(diǎn)與電機(jī)UV線反電勢的相位零點(diǎn)對齊，由于電機(jī)的U相反電勢，與UV線反電勢之間相差30度，因而這樣對齊后，增量式編碼器的U相信號(hào)的相位零點(diǎn)與電機(jī)U相反電勢的-30度相位點(diǎn)對齊，而電機(jī)電角度相位與U相反電勢波形的相位一致，所以此時(shí)增量式編碼器的U相信號(hào)的相位零點(diǎn)與電機(jī)電角度相位的-30度點(diǎn)對齊。

有些伺服企業(yè)習(xí)慣于將編碼器的U相信號(hào)零點(diǎn)與電機(jī)電角度的零點(diǎn)直接對齊，為達(dá)到此目的，可以：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UVW繞組通以小于額定電流的直流電，VW入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察編碼器的U相信號(hào)和Z信號(hào)；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信號(hào)跳變沿，和Z信號(hào)，直到Z信號(hào)穩(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號(hào)的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，Z信號(hào)都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。

驗(yàn)證方法如下：

1.用3個(gè)阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個(gè)電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點(diǎn)，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸，可見編碼器的U相信號(hào)上升沿和電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

上述驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

由于普通增量式編碼器不具備UVW相位信息，而Z信號(hào)也只能反映一圈內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)位，不具備直接的相位對齊潛力，因而不作為本討論的話題。

絕對式編碼器的相位對齊方式

絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實(shí)都是在一圈內(nèi)對齊編碼器的檢測相位與電機(jī)電角度的相位。早期的絕對式編碼器會(huì)以單獨(dú)的引腳給出單圈相位的最高位的電平，利用此電平的0和1的翻轉(zhuǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)編碼器和電機(jī)的相位對齊，方法如下：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計(jì)數(shù)位電平信號(hào)；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察最高計(jì)數(shù)位信號(hào)的跳變沿，直到跳變沿準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，跳變沿都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

這類絕對式編碼器目前已經(jīng)被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協(xié)議，以及日系專用串行協(xié)議的新型絕對式編碼器廣泛取代，因而最高位信號(hào)就不符存在了，此時(shí)對齊編碼器和電機(jī)相位的方法也有所變化，其中一種非常實(shí)用的方法是利用編碼器內(nèi)部的EEPROM，存儲(chǔ)編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實(shí)測的相位，具體方法如下：

1.將編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

3.用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM中；

4.對齊過程結(jié)束。

由于此時(shí)電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的編碼器內(nèi)部EEPROM中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動(dòng)器將任意時(shí)刻的單圈位置檢測數(shù)據(jù)與這個(gè)存儲(chǔ)值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時(shí)刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器的支持和配合方能實(shí)現(xiàn)，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調(diào)整的根本原因就在于不肯向用戶提供這種對齊方式的功能界面和操作方法。這種對齊方法的一大好處是，只需向電機(jī)繞組提供確定相序和方向的轉(zhuǎn)子定向電流，無需調(diào)整編碼器和電機(jī)軸之間的角度關(guān)系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機(jī)上，且無需精細(xì)，甚至簡單的調(diào)整過程，操作簡單，工藝性好。

如果絕對式編碼器既沒有可供使用的EEPROM，又沒有可供檢測的最高計(jì)數(shù)位引腳，則對齊方法會(huì)相對復(fù)雜。如果驅(qū)動(dòng)器支持單圈絕對位置信息的讀出和顯示，則可以考慮：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取并顯示絕對編碼器的單圈位置值；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的單圈絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的單圈絕對位置點(diǎn)，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，上述折算位置點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

如果用戶連絕對值信息都無法獲得，那么就只能借助原廠的專用工裝，一邊檢測絕對位置檢測值，一邊檢測電機(jī)電角度相位，利用工裝，調(diào)整編碼器和電機(jī)的相對角位置關(guān)系，將編碼器相位與電機(jī)電角度相位相互對齊，然后再鎖定。這樣一來，用戶就更加無從自行解決編碼器的相位對齊問題了。

個(gè)人推薦采用在EEPROM中存儲(chǔ)初始安裝位置的方法，簡單，實(shí)用，適應(yīng)性好，便于向用戶開放，以便用戶自行安裝編碼器，并完成電機(jī)電角度的相位整定。

正余弦編碼器的相位對齊方式

普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos

1Vp-p信號(hào)，相當(dāng)于方波信號(hào)的增量式編碼器的AB正交信號(hào)，每圈會(huì)重復(fù)許許多多個(gè)信號(hào)周期，比如2048等；以及一個(gè)窄幅的對稱三角波Index信號(hào)，相當(dāng)于增量式編碼器的Z信號(hào)，一圈一般出現(xiàn)一個(gè)；這種正余弦編碼器實(shí)質(zhì)上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號(hào)外，還具備一對一圈只出現(xiàn)一個(gè)信號(hào)周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號(hào)，如果以C信號(hào)為sin，則D信號(hào)為cos，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器軸，相當(dāng)于Z信號(hào)的Index信號(hào)一般會(huì)對齊于C信號(hào)由低到高的過零點(diǎn)。通過sin、cos信號(hào)的高倍率細(xì)分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號(hào)周期更為細(xì)密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)廠家尚不多見；此外帶C、D信號(hào)的正余弦編碼器的C、D信號(hào)經(jīng)過細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)2048個(gè)絕對位置，因此帶C、D信號(hào)的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。

采用這種編碼器的伺服電機(jī)的初始電角度相位對齊方式如下：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察正余弦編碼器的C信號(hào)和Index信號(hào)波形；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號(hào)和Index信號(hào)波形，直到C信號(hào)的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的有效電平準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，C信號(hào)的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的有效電平都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

撤掉直流電源后，驗(yàn)證如下：

1.用示波器觀察編碼器的C相信號(hào)和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，編碼器的C相信號(hào)由低到高的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的跳變沿與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

這種驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

此時(shí)C信號(hào)的過零點(diǎn)與電機(jī)電角度相位的-30度點(diǎn)對齊。

如果想直接和電機(jī)電角度的0度點(diǎn)對齊，可以考慮：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UVW繞組通以小于額定電流的直流電，VW入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察編碼器的C信號(hào)和Index信號(hào)波形；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號(hào)和Index信號(hào)波形，直到C信號(hào)的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的有效電平準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，C信號(hào)的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的有效電平都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。

驗(yàn)證方法如下：

1.用3個(gè)阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個(gè)電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點(diǎn)，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器軸，觀察編碼器的C相信號(hào)由低到高的過零點(diǎn)或Index信號(hào)的跳變沿應(yīng)該與電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

上述驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內(nèi)的相位信息，而Index信號(hào)也只能反映一圈內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)位，不具備直接的相位對齊潛力，因而在此也不作為討論的話題。

如果可接入正余弦編碼器的伺服驅(qū)動(dòng)器能夠?yàn)橛脩籼峁腃、D中獲取的單圈絕對位置信息，則可以考慮：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取并顯示從C、D信號(hào)中獲取的單圈絕對位置信息；

3.調(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點(diǎn)，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，上述折算絕對位置點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

此后可以在撤掉直流電源后，得到與前面基本相同的對齊驗(yàn)證效果：

1.用示波器觀察正余弦編碼器的C相信號(hào)和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，驗(yàn)證編碼器的C相信號(hào)由低到高的過零點(diǎn)與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

如果利用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器，也可以存儲(chǔ)正余弦編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實(shí)測的相位，具體方法如下：

1.將正余弦隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

3.用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取由C、D信號(hào)解析出來的單圈絕對位置值，并存入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中；

4.對齊過程結(jié)束。

由于此時(shí)電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動(dòng)器將任意時(shí)刻由編碼器解析出來的與電角度相關(guān)的單圈絕對位置值與這個(gè)存儲(chǔ)值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時(shí)刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要伺服驅(qū)動(dòng)器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實(shí)現(xiàn)，而且由于記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器位于伺服驅(qū)動(dòng)器中，因此一旦對齊后，電機(jī)就和驅(qū)動(dòng)器事實(shí)上綁定了，如果需要更換電機(jī)、正余弦編碼器、或者驅(qū)動(dòng)器，都需要重新進(jìn)行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的配套關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器的相位對齊方式

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是由經(jīng)過特殊電磁設(shè)計(jì)的高性能硅鋼疊片和漆包線構(gòu)成的，相比于采用光電技術(shù)的編碼器而言，具有耐熱，耐振。耐沖擊，耐油污，甚至耐腐蝕等惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)能力，因而為武器系統(tǒng)等工況惡劣的應(yīng)用廣泛采用，一對極（單速）的旋變可以視作一種單圈絕對式反饋系統(tǒng)，應(yīng)用也最為廣泛，因而在此僅以單速旋變?yōu)橛懻搶ο?，多速旋變與伺服電機(jī)配套，個(gè)人認(rèn)為其極對數(shù)最好采用電機(jī)極對數(shù)的約數(shù)，一便于電機(jī)度的對應(yīng)和極對數(shù)分解。

旋變的信號(hào)引線一般為6根，分為3組，分別對應(yīng)一個(gè)激勵(lì)線圈，和2個(gè)正交的感應(yīng)線圈，激勵(lì)線圈接受輸入的正弦型激勵(lì)信號(hào)，感應(yīng)線圈依據(jù)旋變轉(zhuǎn)定子的相互角位置關(guān)系，感應(yīng)出來具有SIN和COS包絡(luò)的檢測信號(hào)。旋變SIN和COS輸出信號(hào)是根據(jù)轉(zhuǎn)定子之間的角度對激勵(lì)正弦信號(hào)的調(diào)制結(jié)果，如果激勵(lì)信號(hào)是sinωt，轉(zhuǎn)定子之間的電角度為θ，則SIN信號(hào)為sinωt×sinθ，則COS信號(hào)為sinωt×cosθ，根據(jù)SIN，COS信號(hào)和原始的激勵(lì)信號(hào)，通過必要的檢測電路，就可以獲得較高分辨率的位置檢測結(jié)果，目前商用旋變系統(tǒng)的檢測分辨率可以達(dá)到每圈2的12次方，即4096，而科學(xué)研究和航空航天系統(tǒng)甚至可以達(dá)到2的20次方以上，不過體積和成本也都非?？捎^。

在此，假定旋變轉(zhuǎn)子CCW旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋變的電角度相位遞增，旋變轉(zhuǎn)子CW旋轉(zhuǎn)，旋變電角度相位遞減。

商用旋變與伺服電機(jī)電角度相位的對齊方法如下：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出；

2.然后用示波器觀察旋變的SIN線圈的信號(hào)引線輸出；

3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整電機(jī)軸上的旋變轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變定子與電機(jī)外殼的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變SIN信號(hào)的包絡(luò)，一直調(diào)整到信號(hào)包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變；

(4‘).一邊調(diào)整，一邊觀察以旋變的Sin信號(hào)為橫軸、激勵(lì)信號(hào)為縱軸的李薩如圖，直到李薩如圖成為一條與縱坐標(biāo)重合的垂線，且向CCW方向扭動(dòng)該垂線偏向1、3象限，向CW方向扭動(dòng)該垂線偏向2、4象限，

鎖定旋變；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，信號(hào)包絡(luò)的幅值過零點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，或者李薩如圖都能與縱坐標(biāo)重合為一條垂線，則對齊有效

。

撤掉直流電源，進(jìn)行對齊驗(yàn)證：

1.用示波器觀察旋變的SIN信號(hào)和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，驗(yàn)證旋變的SIN信號(hào)包絡(luò)過零點(diǎn)與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

這個(gè)驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

此時(shí)SIN信號(hào)包絡(luò)的過零點(diǎn)與電機(jī)電角度相位的-30度點(diǎn)對齊。

如果想直接和電機(jī)電角度的0度點(diǎn)對齊，可以考慮：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UVW繞組通以小于額定電流的直流電，VW入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.用示波器觀察旋變的SIN信號(hào)；

3.調(diào)整旋變轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察SIN信號(hào)的包絡(luò)波形，一直調(diào)整到信號(hào)包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變；

(4‘).一邊調(diào)整，一邊觀察以旋變的Sin信號(hào)為橫軸、激勵(lì)信號(hào)為縱軸的李薩如圖，直到李薩如圖成為一條與縱坐標(biāo)重合的垂線，且向CCW方向扭動(dòng)該垂線偏向1、3象限，向CW方向扭動(dòng)該垂線偏向2、4象限，

鎖定旋變；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，信號(hào)包絡(luò)的幅值過零點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，或者李薩如圖都能與縱坐標(biāo)重合為一條垂線，則對齊有效

。

驗(yàn)證方法如下：

1.用3個(gè)阻值相等的電阻接成星型，然后將星型連接的3個(gè)電阻分別接入電機(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點(diǎn)，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.用示波器觀察旋變的SIN信號(hào)包絡(luò)的過零點(diǎn)和電機(jī)U相反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)，這2個(gè)過零點(diǎn)應(yīng)該重合。

上述驗(yàn)證方法，也可以用作對齊方法。

需要指出的是，在上述操作中需有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號(hào)中的正半周和負(fù)半周。由于SIN信號(hào)是以轉(zhuǎn)定子之間的角度為θ的sinθ值對激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制結(jié)果，因而與sinθ的正半周對應(yīng)的SIN信號(hào)包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)與原始激勵(lì)信號(hào)同相，而與sinθ的負(fù)半周對應(yīng)的SIN信號(hào)包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)與原始激勵(lì)信號(hào)反相，據(jù)此可以區(qū)別判斷旋變輸出的SIN包絡(luò)信號(hào)波形中的正半周和負(fù)半周，對齊時(shí)，需要取sinθ由負(fù)半周向正半周過渡點(diǎn)對應(yīng)的SIN包絡(luò)信號(hào)的過零點(diǎn)，如果取反了，或者未加準(zhǔn)確判斷的話，對齊后的電角度有可能錯(cuò)位180度，從而有可能造成速度外環(huán)進(jìn)入正反饋。

如果可接入旋變的伺服驅(qū)動(dòng)器能夠?yàn)橛脩籼峁男冃盘?hào)中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息，則可以考慮：

1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取并顯示從旋變信號(hào)中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息；

3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變外殼與電機(jī)外殼的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點(diǎn)，鎖定旋變動(dòng)子與電機(jī)軸的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，上述折算絕對位置點(diǎn)都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

此后可以在撤掉直流電源后，得到與前面基本相同的對齊驗(yàn)證效果：

1.用示波器觀察旋變的SIN信號(hào)和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸，驗(yàn)證旋變的SIN信號(hào)包絡(luò)過零點(diǎn)與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點(diǎn)重合。

如果利用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器，也可以存儲(chǔ)旋變隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實(shí)測的相位，具體方法如下：

1.將旋變隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)旋變轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及旋變外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，V入，U出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；

3.用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取由旋變解析出來的與電角度相關(guān)的絕對位置值，并存入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中；

4.對齊過程結(jié)束。

由于此時(shí)電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動(dòng)器將任意時(shí)刻由旋變解析出來的與電角度相關(guān)的絕對位置值與這個(gè)存儲(chǔ)值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時(shí)刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要伺服驅(qū)動(dòng)器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實(shí)現(xiàn)，而且由于記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器位于伺服驅(qū)動(dòng)器中，因此一旦對齊后，電機(jī)就和驅(qū)動(dòng)器事實(shí)上綁定了，如果需要更換電機(jī)、旋變、或者驅(qū)動(dòng)器，都需要重新進(jìn)行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的配套關(guān)系。

注意

1.以上討論中，所謂對齊到電機(jī)電角度的-30度相位的提法，是以UV反電勢波形滯后于U相30度的前提為條件。

2.以上討論中，都以VU相通電，并參考UV線反電勢波形為例，有些伺服系統(tǒng)的對齊方式可能會(huì)采用UW相通電并參考UW線反電勢波形。

3.如果想直接對齊到電機(jī)電角度0度相位點(diǎn)，也可以將U相接入低壓直流源的負(fù)端，將V相和W相并聯(lián)后接入直流源的正端，此時(shí)電機(jī)軸的定向角相對于UV相串聯(lián)通電的方式會(huì)偏移30度，以文中給出的相應(yīng)對齊方法對齊后，原則上將對齊于電機(jī)電角度的0度相位，而不再有-30度的偏移量。這樣做看似有好處，但是考慮電機(jī)繞組的參數(shù)不一致性，V相和W相并聯(lián)后，分別流經(jīng)V相和W相繞組的電流很可能并不一致，從而會(huì)影響電機(jī)軸定向角度的準(zhǔn)確性。而在VU相通電時(shí)，U相和V相繞組為單純的串聯(lián)關(guān)系，因此流經(jīng)U相和V相繞組的電流必然是一致的，電機(jī)軸定向角度的準(zhǔn)確性不會(huì)受到繞組定向電流的影響。

4.不排除伺服廠商有意將初始相位錯(cuò)位對齊的可能性，尤其是在可以提供絕對位置數(shù)據(jù)的反饋系統(tǒng)中，初始相位的錯(cuò)位對齊將很容易被數(shù)據(jù)的偏置量補(bǔ)償回來，以此種方式也許可以起到某種保護(hù)自己產(chǎn)品線的作用。只是這樣一來，用戶就更加無從知道伺服電機(jī)反饋元件的初始相位到底該對齊到哪兒了。用戶自然也不愿意遇到這樣的供應(yīng)商。

電角度相位對齊的基本方法總結(jié)

1.波形觀察法

適用于帶換相信號(hào)的增量式編碼器、正余弦編碼、旋轉(zhuǎn)變壓器。

1)

以示波器直接觀察UV線反電勢波形過零點(diǎn)與傳感器的U相信號(hào)上升沿/Z信號(hào)、或Sin信號(hào)過零點(diǎn)、或Sin包絡(luò)信號(hào)過零點(diǎn)的相位對齊關(guān)系，以此方法可以將傳感器的上述信號(hào)邊沿或過零點(diǎn)對齊到-30度電角度相位；