電機(jī)零位與編碼器零位的相位補(bǔ)償方法與裝置

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)(PermanentMagnetSynchronousMotors，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。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。

　　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：

　　（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，也沒有對(duì)零位校正結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。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)前沒有驗(yàn)證編碼器的各個(gè)信號(hào)是否正確，也沒有對(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

　　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?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。

　　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。

　　（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。

　　（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à②低速反轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈à③高速正轉(zhuǎn)運(yùn)行若干圈à④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單一開關(guān)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。

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

　　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。