中圖分類號： TM 383.6 文獻標志碼： 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時代，國家重點提升改造制造業(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(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)緊湊簡單、線性響應(yīng)等優(yōu)點，已在數(shù)控機床、機器人、載人飛船、變頻空調(diào)等場合得到廣泛應(yīng)用[1]。在伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，能否準確獲取伺服電機零位和編碼器零位的相位關(guān)系，關(guān)系伺服電機能否正常啟動，錯誤的相位關(guān)系將使PMSM啟動失敗，使轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、抖動等不良現(xiàn)象[2]。
為了準確獲取伺服電機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齊方法，這些方法以手動對齊為主，對齊基本步驟為[3]：
（1）向電機任意兩相直接通入直流電，使電機轉(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轉(zhuǎn)子被鎖定位置的電角度。例如，直流電由電機的a相繞組進，b相繞組出，則電機轉(zhuǎn)子鎖定在電角度等于-30°的位置。
（2）人工一邊手動調(diào)節(jié)編碼器與電機轉(zhuǎn)子的相對位置，一邊通過調(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，觀察編碼器零位標志，當零位標志出現(xiàn)在調(diào)試工具上時，將編碼器轉(zhuǎn)軸固定在電機轉(zhuǎn)子上，完成相位對齊。
這種人工找尋和校準零位十分費力，而且影響相應(yīng)編碼器零位校準精度的一致性。于是，出現(xiàn)了各種針對不同編碼器設(shè)計的調(diào)零裝置。王新社等針對帶有UVW霍爾信號的增量式編碼器設(shè)計專用的相位對齊伺服驅(qū)動器，使用多個選擇開關(guān)控制相位對齊步驟，使用多個LED顯示信號狀態(tài)，即可任意調(diào)整編碼器相位與轉(zhuǎn)子磁極相位對應(yīng)位置，又能拖動電機運行，操作較簡單，提高了生產(chǎn)效率和相位精度，但在零位校準前驗證編碼器的各個信號是否正確，也沒有對零位校正結(jié)果進行驗證[4]。張靜波等設(shè)計了支持增量式和絕對式編碼器的專用調(diào)零儀，界面友好，參數(shù)可設(shè)置，但在零位校準前沒有驗證編碼器的各個信號是否正確，也沒有對零位校準結(jié)果進行驗證[5]。因此，現(xiàn)有的調(diào)零裝置依然有改進之處，本文主要完善絕對式編碼器電機零位與編碼器零位的相位補償方法。
1 工作原理
在交流電機三相繞組中，三相對稱瞬時電流 ia、ib 、ic 可以使用綜合電流矢量I 在相隔120°電角度的三根時間軸上的投影表示[6]，如圖1所示。
圖1 綜合電流矢量與三相對稱瞬時電流關(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ε 等于零時，即為電機零位。交流伺服電機的矢量控制只有獲取準確的電角度，才能使伺服電機獲得最佳的出力效果。對于增量式編碼器通常將霍爾U信號的上升沿與電機零位對齊，或者將索引Z信號與電機零位對齊；對于絕對式編碼器，由于其輸出的每一個數(shù)值對應(yīng)一圈中唯一位置，因此通常將絕對式編碼器的零位與電機零位對齊。
人工零位對齊方式是先對齊零位，然后再固定絕對式編碼器到電機軸上。本文所描述的方法是先將絕對式編碼器隨意安裝在電機上，然后通過本文描述的裝置獲取到絕對式編碼器的零位與電機零位的補償角度，驗證該補償角度的正確性，最后將補償角度保存到絕對式編碼器自帶的EEPROM中。伺服驅(qū)動器上電初始化時，從EEPROM中讀取補償角度，然后疊加到絕對式編碼器實時反饋角度上即可獲得準確的電角度。通過該方法可以撤銷人工調(diào)零工序，提高電機編碼器安裝效率。
為保證在獲取補償角度、補償角度寫入和讀出EEPROM整個過程都是正確的，考慮以下四點：
（1）對于某些單圈絕對式編碼器，其上電后，需要轉(zhuǎn)動一定角度α才能輸出標稱分辨率的數(shù)值，在α內(nèi)輸出的數(shù)值分辨率比較低。但電機通直流電后電機轉(zhuǎn)動的角度小于α，則CPU讀出的絕對式編碼器數(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)動器的性能。因此，零位校正時，電機轉(zhuǎn)子必須轉(zhuǎn)過角度α。
（2）對應(yīng)分體式絕對式編碼器，由于裝配原因，有可能導(dǎo)致其反饋數(shù)據(jù)有錯誤，故在獲取補償角度前必須對反饋數(shù)據(jù)進行檢驗。
（3）計算出補償角度后，通過試運行，以驗證補償角度的正確性。
（4）補償角度寫入EEPROM后，需要回讀，以保證數(shù)據(jù)讀寫正確。
圖2 控制系統(tǒng)簡要框圖
在圖2中，控制系統(tǒng)分為兩個階段進行控制：（1）階段一：當切換開關(guān)S處于“0”位時，系統(tǒng)為鎖軸控制，并計算補償角度。（2）階段二：當切換開關(guān)S處于“1”位時，系統(tǒng)根據(jù)計算得到的補償角度試運行電機，驗證補償角度的正確性。通過試運行，也可驗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
補償方法簡要操作步驟如圖3所示。
圖3 補償方法簡要操作步驟
（S1）上電初始化：根據(jù)專用伺服驅(qū)動器設(shè)定的電機型號和絕對式編碼器型號，使用存儲在專用伺服電機中的電機參數(shù)和絕對式編碼器參數(shù)，對專用伺服驅(qū)動器中各部分函數(shù)進行初始化。
（S2）按順序?qū)㈦姍C鎖定到電機a相、b相和c相：通過矢量控制，按照順序“a相à?b相à?c相à?a相”，鎖定電機轉(zhuǎn)子。每次將電機轉(zhuǎn)子鎖定到指定位置后，延遲一定時間，記錄絕對式編碼器上傳的位置值，并計算該絕對式編碼器上傳的位置值對應(yīng)的電角度，記為測量角度γ 。
（S3）計算補償角度 ρ ：記鎖軸時的電角度為目的角度θ ，則根據(jù)公式：θ = γ + ρ ，計算出每個鎖定位置的補償角度，最后通過求平均值獲得最終的補償角度。在計算補償角度的平均值時，需要考慮周期值的均值計算問題[7]。
（S4）電機試運行：使用獲得的補償角度，按照設(shè)定方式試運行電機。設(shè)定方式為：①低速正轉(zhuǎn)運行若干圈à?②低速反轉(zhuǎn)運行若干圈à?③高速正轉(zhuǎn)運行若干圈 à?④高速反轉(zhuǎn)運行若干圈。試運行過程中檢測絕對式編碼器數(shù)據(jù)錯誤、過速、過流等錯誤。
（S5）參數(shù)燒寫：當電機試運行沒有錯誤報警時，進入該步驟。在該步驟中，將電機參數(shù)、絕對式編碼器參數(shù)和最終的補償角度燒寫到絕對式編碼器的EEPROM中。參數(shù)燒寫時，進行回讀對比操作。設(shè)置通訊錯誤、燒寫錯誤等報警。
3 軟件流程
電機零位與編碼器零位的相位補償方法設(shè)計兩種觸發(fā)方式，一種是通過單一開關(guān)控制方式，另一種是通過PC機調(diào)試軟件控制方式。
通過單一開關(guān)控制方式的流程圖如圖4所示。從圖4可以看出，僅需要一個開關(guān)即可控制電機轉(zhuǎn)子零位校正、試運行和EEPROM讀寫整個流程。
通過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PC軟件，可分別獨立控制電機鎖軸與補償角度計算、參數(shù)燒寫、參數(shù)操作。參數(shù)操作包括電機參數(shù)和絕對式編碼器參數(shù)的上傳、修改和下發(fā)。
圖4 單一開關(guān)控制方式流程圖
圖5 PC軟件控制方式流程圖
4 平臺驗證
搭建如圖6所示實驗平臺進行驗證。
圖6 驗證平臺
PC軟件界面如圖7所示。
圖7 PC軟件界面
單一開關(guān)控制方式實驗結(jié)果如圖8和圖9所示。
圖8 整個過程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，當電機轉(zhuǎn)子鎖定在a、b、c相時，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，自動進入階段二進行高低速試運行。圖9為高速運行時減速停止的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
經(jīng)過實驗驗證和客戶現(xiàn)場試用情況，本文描述的方法和裝置具有以下優(yōu)點：
（1）電機廠商不必關(guān)注絕對式編碼器零位與電機轉(zhuǎn)子零位的相對位置，可任意安裝，可通過單一開關(guān)觸發(fā)整個零位校正流程，操作簡單，大大減少零位校正工序，提高了電機絕對式編碼器的安裝效率。
（2）電機轉(zhuǎn)子零位校正過程包含電機的高低速試運行，可驗證補償角度是否正確，同時可以通過觀察電機在高低速時的運行狀態(tài)判斷電機是否存在故障，減少電機廠商另外單獨試運行電機這一環(huán)節(jié)。
（3）EEROM讀寫驗證機制，保證數(shù)據(jù)正確寫入EEPROM中。
參考文獻
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[7] Christopher M. Bishop. Pattern Recognition and Machine Learning(Information Science and Statistics)[M]. Springer. 2007:105-124.
