伺服电机相位调整方法

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1、尊;PLC伺服与运动控制伺服电机转子反馈的检测相位与转子磁极相位 的对齐方式（转）转自工控网论坛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UV W，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

2、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. 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U

3、V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

4、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

5、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. 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

6、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，存储编码器安装在电机 轴上后实测的相位，具体方法如下：1. 将编码器完全安装在电机上，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

7、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 动器将任意时刻的当前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后再加上-30度，就可以得到当前的电机电角 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

8、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，而且可能需要特殊工装，一边检测 绝对位置检测值，一边检测电机电角度相位，或者使电机轴定向，然后 利用工装，将编码器相位或电机轴转动到足以相互对齐的位置，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，

9、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

10、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

11、；2. 用示波器观察正余弦编码器的C信号波形；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

12、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

13、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。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

14、，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，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. 调整电机轴上的旋变转子与电机轴的相对位置，或者旋

15、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

16、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，否则对齐后的电角度有可能错位180度。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，希望大家 帮忙补充。汪意以上讨论中，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。另外，文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。