電機(jī)零位與編碼器零位的相位補(bǔ)償方法與裝置

　　中圖分類號(hào)： TM 383.6   文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

　　Motor with encoder zero phase compensation method and device

Abstract: This paper introduces the electrical zero and absolute encoder zero phase compensation method. Focus on how to obtain and verify phase compensation value, how to ensure proper data block written to the EEPROM. The experimental results show that the method is simple, practical and stable operation.

Keyword: Phase compensation; Servo motor; Absolute type encoder; Servo drive.

0  引言

在工業(yè)4.0時(shí)代，國(guó)家重點(diǎn)提升改造制造業(yè)和發(fā)展高端智能裝備。伺服控制系統(tǒng)在自動(dòng)化和高端智能裝備中作為直接執(zhí)行者，起著舉足輕重的作用。永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motors，PMSM)以其高效率、高氣隙磁密度、高功率因素、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、線性響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載人飛船、變頻空調(diào)等場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[1]。在伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，能否準(zhǔn)確獲取伺服電機(jī)零位和編碼器零位的相位關(guān)系，關(guān)系伺服電機(jī)能否正常啟動(dòng)，錯(cuò)誤的相位關(guān)系將使PMSM啟動(dòng)失敗，使轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、抖動(dòng)等不良現(xiàn)象[2]。

為了準(zhǔn)確獲取伺服電機(jī)零位和編碼器零位之間的相位關(guān)系，劉劍文歸納了各種編碼器不同的相位對(duì)齊方法，這些方法以手動(dòng)對(duì)齊為主，對(duì)齊基本步驟為[3]：

（1）向電機(jī)任意兩相直接通入直流電，使電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在固定位置，根據(jù)通電相序和方向即可確定電機(jī)轉(zhuǎn)子被鎖定位置的電角度。例如，直流電由電機(jī)的a相繞組進(jìn)，b相繞組出，則電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在電角度等于-30°的位置。

（2）人工一邊手動(dòng)調(diào)節(jié)編碼器與電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，一邊通過(guò)調(diào)試工具，如示波器、可以顯示編碼器反饋數(shù)據(jù)的設(shè)備，觀察編碼器零位標(biāo)志，當(dāng)零位標(biāo)志出現(xiàn)在調(diào)試工具上時(shí)，將編碼器轉(zhuǎn)軸固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，完成相位對(duì)齊。

這種人工找尋和校準(zhǔn)零位十分費(fèi)力，而且影響相應(yīng)編碼器零位校準(zhǔn)精度的一致性。于是，出現(xiàn)了各種針對(duì)不同編碼器設(shè)計(jì)的調(diào)零裝置。王新社等針對(duì)帶有UVW霍爾信號(hào)的增量式編碼器設(shè)計(jì)專用的相位對(duì)齊伺服驅(qū)動(dòng)器，使用多個(gè)選擇開(kāi)關(guān)控制相位對(duì)齊步驟，使用多個(gè)LED顯示信號(hào)狀態(tài)，即可任意調(diào)整編碼器相位與轉(zhuǎn)子磁極相位對(duì)應(yīng)位置，又能拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，操作較簡(jiǎn)單，提高了生產(chǎn)效率和相位精度，但在零位校準(zhǔn)前驗(yàn)證編碼器的各個(gè)信號(hào)是否正確，也沒(méi)有對(duì)零位校正結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[4]。張靜波等設(shè)計(jì)了支持增量式和絕對(duì)式編碼器的專用調(diào)零儀，界面友好，參數(shù)可設(shè)置，但在零位校準(zhǔn)前沒(méi)有驗(yàn)證編碼器的各個(gè)信號(hào)是否正確，也沒(méi)有對(duì)零位校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[5]。因此，現(xiàn)有的調(diào)零裝置依然有改進(jìn)之處，本文主要完善絕對(duì)式編碼器電機(jī)零位與編碼器零位的相位補(bǔ)償方法。

1  工作原理

在交流電機(jī)三相繞組中，三相對(duì)稱瞬時(shí)電流 i_a、i_b 、i_c 可以使用綜合電流矢量I 在相隔120°電角度的三根時(shí)間軸上的投影表示[6]，如圖1所示。

圖1   綜合電流矢量與三相對(duì)稱瞬時(shí)電流關(guān)系

圖1中，綜合電流矢量I 與a相電流的夾角ε 即為電角度，當(dāng)ε 等于零時(shí)，即為電機(jī)零位。交流伺服電機(jī)的矢量控制只有獲取準(zhǔn)確的電角度，才能使伺服電機(jī)獲得最佳的出力效果。對(duì)于增量式編碼器通常將霍爾U信號(hào)的上升沿與電機(jī)零位對(duì)齊，或者將索引Z信號(hào)與電機(jī)零位對(duì)齊；對(duì)于絕對(duì)式編碼器，由于其輸出的每一個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)一圈中唯一位置，因此通常將絕對(duì)式編碼器的零位與電機(jī)零位對(duì)齊。

人工零位對(duì)齊方式是先對(duì)齊零位，然后再固定絕對(duì)式編碼器到電機(jī)軸上。本文所描述的方法是先將絕對(duì)式編碼器隨意安裝在電機(jī)上，然后通過(guò)本文描述的裝置獲取到絕對(duì)式編碼器的零位與電機(jī)零位的補(bǔ)償角度，驗(yàn)證該補(bǔ)償角度的正確性，最后將補(bǔ)償角度保存到絕對(duì)式編碼器自帶的EEPROM中。伺服驅(qū)動(dòng)器上電初始化時(shí)，從EEPROM中讀取補(bǔ)償角度，然后疊加到絕對(duì)式編碼器實(shí)時(shí)反饋角度上即可獲得準(zhǔn)確的電角度。通過(guò)該方法可以撤銷人工調(diào)零工序，提高電機(jī)編碼器安裝效率。

為保證在獲取補(bǔ)償角度、補(bǔ)償角度寫入和讀出EEPROM整個(gè)過(guò)程都是正確的，考慮以下四點(diǎn)：

（1）對(duì)于某些單圈絕對(duì)式編碼器，其上電后，需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度α才能輸出標(biāo)稱分辨率的數(shù)值，在α內(nèi)輸出的數(shù)值分辨率比較低。但電機(jī)通直流電后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小于α，則CPU讀出的絕對(duì)式編碼器數(shù)值精度低，導(dǎo)致零位校正誤差大，后續(xù)將降低伺服驅(qū)動(dòng)器的性能。因此，零位校正時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子必須轉(zhuǎn)過(guò)角度α。

（2）對(duì)應(yīng)分體式絕對(duì)式編碼器，由于裝配原因，有可能導(dǎo)致其反饋數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，故在獲取補(bǔ)償角度前必須對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

（3）計(jì)算出補(bǔ)償角度后，通過(guò)試運(yùn)行，以驗(yàn)證補(bǔ)償角度的正確性。

（4）補(bǔ)償角度寫入EEPROM后，需要回讀，以保證數(shù)據(jù)讀寫正確。

圖2  控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖

在圖2中，控制系統(tǒng)分為兩個(gè)階段進(jìn)行控制：（1）階段一：當(dāng)切換開(kāi)關(guān)S處于“0”位時(shí)，系統(tǒng)為鎖軸控制，并計(jì)算補(bǔ)償角度。（2）階段二：當(dāng)切換開(kāi)關(guān)S處于“1”位時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算得到的補(bǔ)償角度試運(yùn)行電機(jī)，驗(yàn)證補(bǔ)償角度的正確性。通過(guò)試運(yùn)行，也可驗(yàn)證編碼器裝配及編碼器數(shù)據(jù)反饋是否正確。

2  方法步驟

補(bǔ)償方法簡(jiǎn)要操作步驟如圖3所示。

圖3  補(bǔ)償方法簡(jiǎn)要操作步驟

（S1）上電初始化：根據(jù)專用伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的電機(jī)型號(hào)和絕對(duì)式編碼器型號(hào)，使用存儲(chǔ)在專用伺服電機(jī)中的電機(jī)參數(shù)和絕對(duì)式編碼器參數(shù)，對(duì)專用伺服驅(qū)動(dòng)器中各部分函數(shù)進(jìn)行初始化。

（S2）按順序?qū)㈦姍C(jī)鎖定到電機(jī)a相、b相和c相：通過(guò)矢量控制，按照順序“a相à?b相à?c相à?a相”，鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子。每次將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定到指定位置后，延遲一定時(shí)間，記錄絕對(duì)式編碼器上傳的位置值，并計(jì)算該絕對(duì)式編碼器上傳的位置值對(duì)應(yīng)的電角度，記為測(cè)量角度γ 。

（S3）計(jì)算補(bǔ)償角度 ρ ：記鎖軸時(shí)的電角度為目的角度θ ，則根據(jù)公式：θ  = γ + ρ ，計(jì)算出每個(gè)鎖定位置的補(bǔ)償角度，最后通過(guò)求平均值獲得最終的補(bǔ)償角度。在計(jì)算補(bǔ)償角度的平均值時(shí)，需要考慮周期值的均值計(jì)算問(wèn)題[7]。

（S4）電機(jī)試運(yùn)行：使用獲得的補(bǔ)償角度，按照設(shè)定方式試運(yùn)行電機(jī)。設(shè)定方式為：①低速正轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈à?②低速反轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈à?③高速正轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈 à?④高速反轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈。試運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)絕對(duì)式編碼器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、過(guò)速、過(guò)流等錯(cuò)誤。

（S5）參數(shù)燒寫：當(dāng)電機(jī)試運(yùn)行沒(méi)有錯(cuò)誤報(bào)警時(shí)，進(jìn)入該步驟。在該步驟中，將電機(jī)參數(shù)、絕對(duì)式編碼器參數(shù)和最終的補(bǔ)償角度燒寫到絕對(duì)式編碼器的EEPROM中。參數(shù)燒寫時(shí)，進(jìn)行回讀對(duì)比操作。設(shè)置通訊錯(cuò)誤、燒寫錯(cuò)誤等報(bào)警。

3  軟件流程

電機(jī)零位與編碼器零位的相位補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)兩種觸發(fā)方式，一種是通過(guò)單一開(kāi)關(guān)控制方式，另一種是通過(guò)PC機(jī)調(diào)試軟件控制方式。

通過(guò)單一開(kāi)關(guān)控制方式的流程圖如圖4所示。從圖4可以看出，僅需要一個(gè)開(kāi)關(guān)即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)子零位校正、試運(yùn)行和EEPROM讀寫整個(gè)流程。

通過(guò)PC軟件控制方式的流程圖如圖5所示。從圖5可以看出，通過(guò)PC軟件，可分別獨(dú)立控制電機(jī)鎖軸與補(bǔ)償角度計(jì)算、參數(shù)燒寫、參數(shù)操作。參數(shù)操作包括電機(jī)參數(shù)和絕對(duì)式編碼器參數(shù)的上傳、修改和下發(fā)。

圖4   單一開(kāi)關(guān)控制方式流程圖

圖5 PC軟件控制方式流程圖

4  平臺(tái)驗(yàn)證

搭建如圖6所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6  驗(yàn)證平臺(tái)

PC軟件界面如圖7所示。

圖7   PC軟件界面

單一開(kāi)關(guān)控制方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8  整個(gè)過(guò)程a/b/c相電流波形

圖9  a/b/c三相電流相位關(guān)系

從圖8中可以看出，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在a、b、c相時(shí)，該相電流最大，滿足矢量控制原理。單一開(kāi)關(guān)控制方式階段一完成后，自動(dòng)進(jìn)入階段二進(jìn)行高低速試運(yùn)行。圖9為高速運(yùn)行時(shí)減速停止的a/b/c三相電流相位關(guān)系，可以看出a/b/c三者相差120°。

5  結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和客戶現(xiàn)場(chǎng)試用情況，本文描述的方法和裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電機(jī)廠商不必關(guān)注絕對(duì)式編碼器零位與電機(jī)轉(zhuǎn)子零位的相對(duì)位置，可任意安裝，可通過(guò)單一開(kāi)關(guān)觸發(fā)整個(gè)零位校正流程，操作簡(jiǎn)單，大大減少零位校正工序，提高了電機(jī)絕對(duì)式編碼器的安裝效率。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子零位校正過(guò)程包含電機(jī)的高低速試運(yùn)行，可驗(yàn)證補(bǔ)償角度是否正確，同時(shí)可以通過(guò)觀察電機(jī)在高低速時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)判斷電機(jī)是否存在故障，減少電機(jī)廠商另外單獨(dú)試運(yùn)行電機(jī)這一環(huán)節(jié)。

（3）EEROM讀寫驗(yàn)證機(jī)制，保證數(shù)據(jù)正確寫入EEPROM中。

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