文档介绍：伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方式[原创]
波恩
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| 2008-10-05 12:12:05 楼主
论坛中总是有人问及伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的问题,这样的问题论坛中多有回答,本人也曾在多个帖子有所回复,鉴于本人的回复较为零散,早就想整理集中一下,只是一直未能如愿,今借十一长假之际,将自己对这一问题的经验和体会整理汇总一下,以供大家参考,或者有个全面的了解。
 
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:
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:
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:
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bc相(VW相)入,a相(U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b相(V相)入,a相(U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:
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:
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6
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。
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