各种编码器的调零方法

各种编码器的调零方法-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company Onel各种编码器的调零方法增量式编码器的相位对齐方式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。 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，因而不作讨论。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，就更加无从自行解决编码器的相位对齐问题了。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， cos1Vp-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sint,转定子之间的角度为8,则SIN信号为sintxsinB,则COS信号 为sinwtxcosQ,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e的sine值对激励信号的调制结 果，因而与sine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 sine 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sine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。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。