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  • 简要介绍交流伺服电机的概念和一些基本的原理
  • 伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输 入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角 入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移 介绍了关于交流伺服电机工作原理的详细说明,提供电机的技术资料的下载。
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    http://wuhuotun.blog.163.com/blog/static/73085450200910655748516/

    https://blog.csdn.net/PINBODEXIAOZHU/article/details/43484489?utm_source=blogxgwz4

    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:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图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正交,即波形间互差90度电角度,如下图所示:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图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的d轴(直轴)与定子坐标系的a轴(U轴)或α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:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图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(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α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α轴对齐到与d轴相差(负)30度的电角度位置上,如图所示:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图4

    上述两种转子定向方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α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α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:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图5

    上述两种转子定向方法在dq转子坐标系和abc(UVW)或αβ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α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α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α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,即图中与a轴或α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。

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料图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,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;

    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,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励正弦信号的调制结果,如果激励信号是sinωt,转定子之间的角度为θ,则SIN信号为sinωt×sinθ,则COS信号为sinωt×cosθ,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。

    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θ的sinθ值对激励信号的调制结果,因而与sinθ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sinθ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包络信号波形中的正半周和负半周,对齐时,需要取sinθ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.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,但是考虑电机绕组的参数不一致性,V相和W相并联后,分别流经V相和W相绕组的电流很可能并不一致,从而会影响电机轴定向角度的准确性。而在UV相通电时,U相和V相绕组为单纯的串联关系,因此流经U相和V相绕组的电流必然是一致的,电机轴定向角度的准确性不会受到绕组定向电流的影响。

    4.不排除伺服厂商有意将初始相位错位对齐的可能性,尤其是在可以提供绝对位置数据的反馈系统中,初始相位的错位对齐将很容易被数据的偏置量补偿回来,以此种方式也许可以起到某种保护自己产品线的作用。只是这样一来,用户就更加无从知道伺服电机反馈元件的初始相位到底该对齐到哪儿了。用户自然也不愿意遇到这样的供应商。

     

    电角度相位对齐的基本方法总结

     

    1.波形观察法

    适用于带换相信号的增量式编码器、正余弦编码、旋转变压器。

     

    1)  以示波器直接观察UV线反电势波形过零点与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到-30度电角度相位;

     

    2) 以阻值范围适当的三个等值电阻构成星形,接入永磁伺服电机的UVW动力线,以示波器观察U相动力线与星形等值电阻的中心点之间的虚拟U相反电势波形与与传感器的U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点的相位对齐关系,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点;

     

    2.转子定向法

    适用于带换相信号的增量式编码器、正余弦编码、旋转变压器的波形对齐,或者绝对式编码器和正余弦编码、旋转变压器等按可提供单圈绝对位置数值信息对齐。

     

    1) 将U相接入低压直流源的正极,V相接入直流源的负端,定向电机轴

    此后一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边以示波器观察传感器信号,直到U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到 -30度电角度相位;

    也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边设法观察单圈绝对位置的数值信息,直到数据零位准确复现,以此方法也可以将传感器的单圈绝对位置零点对齐到 -30度电角度相位;

    如果事先估算出 -30度电角度对应的单圈绝对位置的数值,还可以调整传感器与电机的相对位置关系,直到该数值准确复现,就可以将单圈绝对位置零点直接对齐到电角度相位0点(该方法可能比将在下一面 2) 中总结的后一条方法精确度更好一些);

    当然也完全可以不调整传感器与电机的相对位置关系,而是简单地随机安装编码器,把读取到的单圈绝对位置信息作为初始安装的偏置值,通过后续运算,实现单圈绝对位置信息和电角度相位零点的逻辑对齐,该方法的人工操作要求最低。

     

    2) 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,定向电机轴

    此后一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边以示波器观察传感器信号,直到U相信号上升沿/Z信号、或Sin信号过零点、或Sin包络信号过零点准确复现,以此方法可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点;

    也可以一边调整传感器与电机的相对位置关系,一边设法观察单圈绝对位置的数值信息,直到数据零位准确复现,以此方法也可以将传感器的上述信号边沿或过零点对齐到电角度相位0点。

    欢迎指正!

    (2008.10.5 起草,10.6完成初稿)

    (2008.10.10,10.11两次补充修订旋变有关部分)

    (2008.10.12补充修订正余弦编码器有关部分)

    (2008.11.8补充编码器相位为什么需要与伺服电机转子磁极相位对齐部分)

    (2008.12.4 补充电角度相位对齐的基本方法总结)

    (2009.2.18 补充电角度的描述并修改矢量坐标图)

     

    对于直线电机而言,采用增量式直线编码器+UVW霍尔相位检测信号的方式可以借鉴上面的带UVW相位的增量式编码器的方式;

    采用绝对式直线编码器反馈的直线电机,可以参考上述绝对式编码器的方式;

    带C、D信号的直线编码器目前本人上位见过,而且长距离的感觉也很难实现,故在直线电机应用可以不考虑;

    与旋变对应的直线感应式传感器为感应同步器,不过目前应用日少,而且其印刷“绕组”的物理节距(毫米级)往往小于直线电机的永磁体极距(几十毫米级),所以无法与旋变应用直接对应,如果一定要用,可参照“增量式直线编码器+UVW霍尔相位检测信号的方式”。

     

    增量式编码器相对容易实现以单一仪器进行检测,毕竟其信号相对简单。

     

    绝对式编码器就不那么容易,因为各家有各家的串行协议,比如海德汉的EnDAT,施曼/施克的Hyperface,BiSS,SSI等,除了SSI相对简单,其它都有一定的复杂度,而且互不兼容,虽然协议是对用户公开的,但每种协议都得做进检测仪器里。而对于日系伺服用的伪绝对式编码器,除了多摩川的编码器串行协议可以向用户公开,山洋的可以部分向用户公开外,其它的什么三菱、安川、松下等等都对用户保密,拿不到协议,也就没法用单一仪器进行检测了。

     

    "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"

    比如某个增量式编码器的UVW信号,其每转周期数为2,那么是不是该编码器只能适用极对数为2的电机?还是说编码器能根据电机的极对数自动调节其UVW输出信号的每转周期数?谢谢!

     

    尊敬的波恩楼主,您真是及时雨,最近我正为"正余弦编码器"的工作原理犯愁,您无私的雪中送碳了,真实太感谢您了!

    对于SIN、CON的反馈信号,DSP中是怎样确认其曲线上每点所对应的磁极角度呢?(前提是:编码器装在永磁同步电机的转子轴上)

     

    to“vesgine”:一般而言,伺服电机在选用带UVW信号的增量式编码器时,都会选择信号周期数与电机极对数相同,这样做主要目的在于每次上电时为软件提供电机电角度初始化的信号依据。如果编码器信号周期数和电机极对数不匹配,电机电角度初始化算法就不便于直接利用UVW相位信息,这样一来就不如直接用不带UVW信号的最普通的增量式编码器。

    另外,编码器的信号周期数和电机的极对数都是在物理上已经做死的,因此不可能在安装后再由“编码器能根据电机的极对数自动调节其UVW输出信号的每转周期数”。

     

    to“CGP888”:“对于SIN、CON的反馈信号,DSP中是怎样确认其曲线上每点所对应的磁极角度呢?(前提是:编码器装在永磁同步电机的转子轴上)”———这涉及正余弦编码器信号的细分技术,国外称之为内插,已经超出了本帖讨论的电角度相位对齐的范围。而且国内产业界在这方面的能力目前还十分薄弱,就本人所知,国内能自己做到2048线以上细分的产品还屈指可数,而国外目前只对国内提供512细分的高速处理电路,4096以上的高速细分电路/IC基本是禁运的。所以突破正余弦编码器信号的高速高倍率细分技术,对于国内数控产业界而言具有非常大的战略意义和和市场价值。据说一家新兴的民族数控企业已经取得4096倍(以上)的高速细分产品的技术突破,这是值得称道和令人鼓舞的。

    ADI公司有一篇pdf文档讲述这方面的技术细节,“CGP888”不妨自己去它的网站看看,题目为“Extraction of High Resolution Position Information from Sinusoidal Encoders”。

     

    波恩

      22楼 回复时间:2008-10-11 13:25:18

    初稿中曾提及“对关于如何有效区分旋变的SIN包络信号中的正半周和负半周,本人尚无经验”,前天拿到一份多摩川的ppt讲稿,里面有的2张图可以说明了旋变的SIN、COS包络信号中的正半周和负半周的波形特点,如下所示:

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料

    永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零校正方法 - 设备机电调试工程师 - 中国免费电气技术资料

    由此可见,正半周和负半周中,被调制后的激励信号的相位是有差别的,正半周中被调制后的激励信号与原始激励信号同相,而负半周中被调制后的激励信号与原始激励信号反,据此就可以在电机电机电角度初始相位对齐的过程有效区分SIN包络信号中的正半周和负半周,避免因无从判断而可能导致错位180度对齐的问题。

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  • 步进电机及交流伺服电机原理及应用
  • 为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。  一般伺服都有三种控制方式:速度控制方式,转矩控制方式,位置控制方式 。  ...
  • 伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,... 答:伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速

    伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。

    什么是伺服电机?有几种类型?工作特点是什么?

    答:伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降.。

    请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别?

    答: 交流伺服要好一些,因为是正弦波控制滚珠丝杆,转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单,便宜。 永磁交流伺服电动机 20世纪80年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交 流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代 以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

    永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有: ⑴无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小,易于提高系统的快速性波纹管联轴器。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。

    伺服和步进电机

    伺 服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能, 所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电 机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。

    步进电机是一种离 散运动的装置,它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中,步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现,交流伺服电 机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控 制方式上相似(脉冲串和方向信号)弹性联轴器,但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

    一、控制精度不同

    两 相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°,五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机,其步距角为0.09°;德国百格拉公司 (BERGER LAHR)生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、 0.036°,兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

    交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流 伺服电机为例,对于带标准2500线编码器的电机而言,由于驱动器内部采用了四倍频技术,其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位 编码器的电机而言,驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电 机的脉冲当量的1/655。

    二、低频特性不同

    步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性 能有关,一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速 时,一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象,比如在电机上加阻尼器,或驱动器上采用细分技术等。

    交流伺服电机运转非常平稳膜片联轴器,即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能,可涵盖机械的刚性不足,并且系统内部具有频率解析机能(FFT),可检测出机械的共振点,便于系统调整。

    三、矩频特性不同

    步进电机的输出力矩随转速升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,所以其最高工作转速一般在300~600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出,即在其额定转速(一般为2000RPM或3000RPM)以内,都能输出额定转矩,在额定转速以上为恒功率输出。

    四、过载能力不同

    步 进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例,它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍,可用 于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力,在选型时为了克服这种惯性力矩,往往需要选取较大转矩的电机,而机器在正常工作期间 又不需要那么大的转矩,便出现了力矩浪费的现象。

    五、运行性能不同

    步进电机的控制为开环控制,启动频率过高或负载 过大易出现丢步或堵转的现象,停止时转速过高易出现过冲的现象,所以为保证其控制精度,应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制,驱动器可直接 对电机编码器反馈信号进行采样,内部构成位置环和速度环,一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象,控制性能更为可靠。

    六、速度响应性能不同

    步进电机从静止加速到工作转速(一般为每分钟几百转)需要200~400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好,以松下MSMA 400W交流伺服电机为例,从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒,可用于要求快速启停的控制场合。

    综上所述,交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以,在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素,选用适当的控制电机。

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  • 伺服电机内部结构及其工作原理zip,伺服电机内部结构及其工作原理: 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf...
  • 伺服电机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。 伺服电机是一个...

    伺服电机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。

    伺服电机是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,产生纠正脉冲,并驱动电机正向或反向地转动,使齿轮组的输出位置与期望值相符,令纠正脉冲趋于为0,从而达到使伺服电机精确定位的目的。

    伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。

    伺服电机的工作原理  这里说的伺服电机是指交流永磁伺服电机。

    交流伺服电机的工作原理:伺服系统一般由伺服放大器和伺服电机构成。

    伺服电机内部的转子是永磁铁,伺服放大器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的分辨率。

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  • 伺服电机是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电机驱动,其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测,该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板,控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较,...
  • 1、概念 伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的...分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。 2、原理 、伺服系统(serv

    1、概念
    伺服电机(servo motor )是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机,是一种补助马达间接变速装置。
    伺服电机可使控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,且具有机电时间常数小、线性度高等特性,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降。
    2、原理
    、伺服系统(servo mechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护不方便(换碳刷),产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
    无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。
    2、交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。
    3、伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。
    交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别:交流伺服要好一些,因为是正弦波控制,转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单,便宜。

    3、调试方法

    1、初始化参数
    在接线之前,先初始化参数。 [2]
    在控制卡上:选好控制方式;将PID参数清零;让控制卡上电时默认使能信号关闭;将此状态保存,确保控制卡再次上电时即为此状态。
    在伺服电机上:设置控制方式;设置使能由外部控制;编码器信号输出的齿轮比;设置控制信号与电机转速的比例关系。一般来说,建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。比如,山洋是设置1V电压对应的转速,出厂值为500,如果你只准备让电机在1000转以下工作,那么,将这个参数设置为111。
    2、接线
    将控制卡断电,连接控制卡与伺服之间的信号线。以下的线是必须要接的:控制卡的模拟量输出线、使能信号线、伺服输出的编码器信号线。复查接线没有错误后,电机和控制卡(以及PC)上电。此时电机应该不动,而且可以用外力轻松转动,如果不是这样,检查使能信号的设置与接线。用外力转动电机,检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化,否则检查编码器信号的接线和设置
    3、试方向
    对于一个闭环控制系统,如果反馈信号的方向不正确,后果肯定是灾难性的。通过控制卡打开伺服的使能信号。这时伺服应该以一个较低的速度转动,这就是传说中的“零漂”。一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。使用这个指令或参数,看电机的转速和方向是否可以通过这个指令(参数)控制。如果不能控制,检查模拟量接线及控制方式的参数设置。确认给出正数,电机正转,编码器计数增加;给出负数,电机反转转,编码器计数减小。如果电机带有负载,行程有限,不要采用这种方式。测试不要给过大的电压,建议在1V以下。如果方向不一致,可以修改控制卡或电机上的参数,使其一致。
    4、抑制零漂
    在闭环控制过程中,零漂的存在会对控制效果有一定的影响,最好将其抑制住。使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数,仔细调整,使电机的转速趋近于零。由于零漂本身也有一定的随机性,所以,不必要求电机转速绝对为零。
    5、建立闭环控制
    再次通过控制卡将伺服使能信号放开,在控制卡上输入一个较小的比例增益,至于多大算较小,这只能凭感觉了,如果实在不放心,就输入控制卡能允许的最小值。将控制卡和伺服的使能信号打开。这时,电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。
    6、调整闭环参数
    细调控制参数,确保电机按照控制卡的指令运动,这是必须要做的工作,而这部分工作,更多的是经验,这里只能从略了。

    展开全文
  • 永磁交流伺服系统具有以下等优点:(1)电动机无电刷和换向器,工作可靠,维护和保养简单;(2)定子绕组散热快;(3)惯量小,易提高系统的快速性;(4)适应于高速大力矩工作状态;(5)相同功率下,体积和重量较小,广泛的应用...
  • 一、交流伺服电动机  交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。...
  •  直接驱动电动机(d-d motor,dynaserv)因其不需要减速器而在某些特定场合得到广泛的应用,相当于我们称作的力矩电动机,只不过前者是用新型的交流电动机原理,是数字控制式的。现用横河公司(yokogawa)的智能驱动器...
  • 本主要介绍的是直流伺服电机种类。
  • 步进电机和交流伺服电机...为了适应数字控制的发展趋势,运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号),但在使用性能和应用场合上存在着...

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交流伺服电机工作原理