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

1、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

2、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

3、的 d 轴(直轴与定子 坐 标 系 的 a 轴(U 轴 或 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 (

4、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 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 a 相(U 相 入 , bc 相(VW 相出, 由 于

5、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 a 相(U 相 入 , b 相(V 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 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

6、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 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 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 定子 坐 标 系中 的 矢量 关系 如图 6所示:图 中 棕 色 线 所示的 d 轴与 a 轴(U 轴 或 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

7、相 位 固 定为 90度 的电流矢量, 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 轴 重合 的 位置 , 并 最终定向于 该 位置 ,即电 角度 0度。 紫 色 线 所示的 d 轴与 a 轴 (U 轴 或 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 60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 60度 的电流矢量 q 轴分量所 处 的 位置 , 即图 中

8、与 a 轴 或 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。图 6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

9、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,

10、 U 入 , V 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

11、 器 观察 编码器 的 U 相 信号 和电机的 UV 线 反电势波形 ;2. 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 即与电机 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

12、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 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

13、 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 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 , 最终使 上 升 沿 和 过 零 点 重合 , 锁 定 编码器 与电机的相 对位置关系 , 完 成 对齐。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

14、 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, U 入 , V 出, 将 电机轴定向 至 一 个

15、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

16、 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, U 入 , V 出, 将 电机轴定向 至 一 个 平衡位置;3. 用 伺服 驱动

17、 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

18、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

19、 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, U 入 , V 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

20、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

21、 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

22、 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 , 通 过 sin 、 cos 信号 的 高 倍率细 分 技术 , 不 仅 可 以 使正 余 弦编

23、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

24、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, U 入 , V 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 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 波形, 直 到由 低 到 高 的 过 零 点 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

25、轴 每次自 由 回复 到平衡位置时 , 过 零 点 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. 转 动 电机轴, 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 。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 3个 阻 值 相 等 的电

26、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. 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 的 C 相 信号 由 低 到 高 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 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。由 于 普 通 正 余 弦编码器 不具备 一

27、 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, U 入 , V 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 ;

28、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

29、 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, U 入 , V 出,

30、 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

31、 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

32、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

33、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

34、励正 弦 信号 的 调 制 结 果,如果 激 励 信号 是 sin t , 转定子 之间 的 角度 为 , 则 SIN 信号 为 sin t sin , 则 COS 信号 为 sin t cos , 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

35、 。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, 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

36、 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 。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 3个 阻 值 相

37、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

38、的相 对位置关系 , 完 成 对齐。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 的 sin 值 对 激 励 信号 的 调 制 结 果, 因而与 sin 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 sin 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

39、信号 波形 中 的正 半 周 和 负 半 周 , 对齐时 , 需 要 取 sin 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, U

40、入 , V 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 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

41、 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.

42、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, U 入 , V 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

43、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 UV 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正 极,将 V 相和 W 相并联后接入直流源的负端,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