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(jī)(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(jī)床、機(jī)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(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，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(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(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）人工一邊手動調(diào)節(jié)編碼器與電機(jī)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(biāo)志，當(dāng)零位標(biāo)志出現(xiàn)在調(diào)試工具上時，將編碼器轉(zhuǎn)軸固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，完成相位對齊。

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(jī)運(yùn)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗證[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

在交流電機(jī)三相繞組中，三相對稱瞬時電流、、可以使用綜合電流矢量在相隔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，綜合電流矢量與a相電流的夾角即為電角度，當(dāng)等于零時，即為電機(jī)零位。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。對于增量式編碼器通常將霍爾U信號的上升沿與電機(jī)零位對齊，或者將索引Z信號與電機(jī)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(jī)零位對齊。

在圖2中，控制系統(tǒng)分為兩個階段進(jìn)行控制：（1）階段一：當(dāng)切換開關(guān)S處于“0”位時，系統(tǒng)為鎖軸控制，并計算補(bǔ)償角度。（2）階段二：當(dāng)切換開關(guān)S處于“1”位時，系統(tǒng)根據(jù)計算得到的補(bǔ)償角度試運(yùn)行電機(jī)，驗證補(bǔ)償角度的正確性。通過試運(yùn)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(bǔ)償方法簡要操作步驟如圖3所示。

圖3  補(bǔ)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(jī)型號和絕對式編碼器型號，使用存儲在專用伺服電機(jī)中的電機(jī)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(jìn)行初始化。

（S2）按順序?qū)㈦姍C(jī)鎖定到電機(jī)a相、b相和c相：通過矢量控制，按照順序“a相àb相àc相àa相”，鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子。每次將電機(jī)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。

（S3）計算補(bǔ)償角度：記鎖軸時的電角度為目的角度，則根據(jù)公式：=+，計算出每個鎖定位置的補(bǔ)償角度，最后通過求平均值獲得最終的補(bǔ)償角度。在計算補(bǔ)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(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(dāng)電機(jī)試運(yùn)行沒有錯誤報警時，進(jìn)入該步驟。在該步驟中，將電機(jī)參數(shù)、絕對式編碼器參數(shù)和最終的補(bǔ)償角度燒寫到絕對式編碼器的EEPROM中。參數(shù)燒寫時，進(jìn)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(jī)零位與編碼器零位的相位補(bǔ)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子零位校正、試運(yùn)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(dú)立控制電機(jī)鎖軸與補(bǔ)償角度計算、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(jìn)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(dāng)電機(jī)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(jìn)入階段二進(jìn)行高低速試運(yùn)行。圖9為高速運(yùn)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(jī)廠商不必關(guān)注絕對式編碼器零位與電機(jī)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(jī)絕對式編碼器的安裝效率。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子零位校正過程包含電機(jī)的高低速試運(yùn)行，可驗證補(bǔ)償角度是否正確，同時可以通過觀察電機(jī)在高低速時的運(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讀寫驗證機(jī)制，保證數(shù)據(jù)正確寫入EEPROM中。

參考文獻(xiàn)

[1]Khadija K, Benyounes M, Khalil B I, et al. A simple and robust Speed Tracking Control of PMSM[J]. Przegl?d Elektrotechniczny, 2011, 87(7): 202-207.

[2]曾建安, 曾岳南, 暨綿浩. 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測[J]. 電機(jī)技術(shù), 2005(4):44-45.

[3]劉劍文. 各種編碼器校正方式[J]. 電梯工業(yè), 2014(3):69-71.

[4]王新社, 唐煌生, 林  榕等. 交流伺服電機(jī)編碼器調(diào)相位與運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計. 微電機(jī),2013, 46(1),76～78.

[5]張靜波, 艾武. 伺服電機(jī)編碼器零點調(diào)試儀的設(shè)計[J]. 微電機(jī), 2012, 45(03): 61-65.

[6]周揚(yáng)忠, 胡育文. 交流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[7] Christopher M. Bishop. Pattern Recognition and Machine Learning(Information Science and Statistics)[M].  Springer. 2007:105-124.