永磁交流伺服電機(jī)的工作原理與編碼器零位校正方法

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1、永磁交流伺服電機(jī)的工作原理與更換新編碼器后的常規(guī)零位校正方法??永磁交流伺服電機(jī)的編碼器相位為何要與轉(zhuǎn)子磁極相位對(duì)齊其唯一目的就是要達(dá)成矢量控制的目標(biāo)，使d軸勵(lì)磁分量和q軸出力分量解耦，令永磁交流伺服電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的電磁場(chǎng)始終正交于轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)，從而獲得最佳的出力效果，即“類直流特性”，這種控制方法也被稱為磁場(chǎng)定向控制（FOC），達(dá)成FOC控制目標(biāo)的外在表現(xiàn)就是永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢(shì)”波形保持一致，如下圖所示：圖1因此反推可知，只要想辦法令永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢(shì)”波形保持一致，就可以達(dá)成FOC控制目標(biāo)，使永磁交流伺服電

2、機(jī)的初級(jí)電磁場(chǎng)與磁極永磁場(chǎng)正交，即波形間互差90度電角度，如下圖所示：圖2如何想辦法使永磁交流伺服電機(jī)的“相電流”波形始終與“相反電勢(shì)”波形保持一致呢？由圖1可知，只要能夠隨時(shí)檢測(cè)到正弦型反電勢(shì)波形的電角度相位，然后就可以相對(duì)容易地根據(jù)電角度相位生成與反電勢(shì)波形一致的正弦型相電流波形了。?在此需要明示的是，永磁交流伺服電機(jī)的所謂電角度就是a相（U相）相反電勢(shì)波形的正弦（Sin）相位，因此相位對(duì)齊就可以轉(zhuǎn)化為編碼器相位與反電勢(shì)波形相位的對(duì)齊關(guān)系；另一方面，電角度也是轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的d軸（直軸）與定子坐標(biāo)系的a軸（U軸）或α軸之間的夾角，這一點(diǎn)有助于圖形化分析。?在實(shí)際操作中，

3、歐美廠商習(xí)慣于采用給電機(jī)的繞組通以小于額定電流的直流電流使電機(jī)轉(zhuǎn)子定向的方法來對(duì)齊編碼器和轉(zhuǎn)子磁極的相位。當(dāng)電機(jī)的繞組通入小于額定電流的直流電流時(shí)，在無外力條件下，初級(jí)電磁場(chǎng)與磁極永磁場(chǎng)相互作用，會(huì)相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上，如下圖所示：圖3對(duì)比上面的圖3和圖2可見，雖然a相（U相）繞組（紅色）的位置同處于電磁場(chǎng)波形的峰值中心（特定角度），但FOC控制下，a相（U相）中心與永磁體的q軸對(duì)齊；而空載定向時(shí)，a相（U相）中心卻與d軸對(duì)齊。也就是說相對(duì)于初級(jí)（定子）繞組而言，次級(jí)（轉(zhuǎn)子）磁體坐標(biāo)系的d軸在空載定向時(shí)有會(huì)左移90度電角度，與FOC控制下q軸的原有位

4、置重合，這樣就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子空載定向時(shí)a軸（U軸）或α軸與d軸間的對(duì)齊關(guān)系。?此時(shí)相位對(duì)齊到電角度0度，電機(jī)繞組中施加的轉(zhuǎn)子定向電流的方向?yàn)閍相（U相）入，bc相（VW相）出，由于b相（V相）與c相（W相）是并聯(lián)關(guān)系，流經(jīng)b相（V相）和c相（W相）的電流有可能出現(xiàn)不平衡，從而影響轉(zhuǎn)子定向的準(zhǔn)確性。?實(shí)用化的轉(zhuǎn)子定向電流施加方法是a相（U相）入，b相（V相）出，即a相（U相）與b相（V相）串聯(lián)，可獲得幅值完全一致的a相（U相）和b相（V相）電流，有利于定向的準(zhǔn)確性，此時(shí)a相（U相）繞組（紅色）的位置與d軸差30度電角度，即a軸（U軸）或α軸對(duì)齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度

5、位置上，如圖所示：圖4上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法對(duì)應(yīng)的繞組相反電勢(shì)波形和線反電勢(shì)，以及電角度的關(guān)系如下圖所示，棕色線為a軸（U軸）或α軸與d軸對(duì)齊，即直接對(duì)齊到電角度0點(diǎn)；紫色線為a軸（U軸）或α軸對(duì)齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置，即對(duì)齊到-30度電角度點(diǎn)：圖5上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法在dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和abc（UVW）或αβ定子坐標(biāo)系中的矢量關(guān)系如圖6所示：圖中棕色線所示的d軸與a軸（U軸）或α軸對(duì)齊，即對(duì)齊到電角度0點(diǎn)。對(duì)齊方法是對(duì)電機(jī)繞組施加電角度相位固定為90度的電流矢量，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會(huì)移向FOC控制下電角度相位為90度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與

6、a軸或α軸重合的位置，并最終定向于該位置，即電角度0度。紫色線所示的d軸與a軸（U軸）或α軸相差30度，即對(duì)齊到-30度電角度點(diǎn)。對(duì)齊方法是對(duì)電機(jī)繞組施加電角度相位固定為60度的電流矢量，空載下電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸會(huì)移向在FOC下電角度相位為60度的電流矢量q軸分量所處的位置，即圖中與a軸或α軸沿順時(shí)針方向相差30度的位置，并最終定向于該位置，即電角度-30度。圖6說明一點(diǎn)：文中有關(guān)U、V、W相和a、b、c相，U、V、W軸和a、b、c軸的敘述具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。主流的伺服電機(jī)位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對(duì)式編碼器，正余弦編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等。增量式編碼器的相位對(duì)齊方式在此討

7、論中，增量式編碼器的輸出信號(hào)為方波信號(hào)，又可以分為帶換相信號(hào)的增量式編碼器和普通的增量式編碼器，普通的增量式編碼器具備兩相正交方波脈沖輸出信號(hào)A和B，以及零位信號(hào)Z；帶換相信號(hào)的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號(hào)外，還具備互差120度的電子換相信號(hào)UVW，UVW各自的每轉(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)一致。帶換相信號(hào)的增量式編碼器的UVW電子換相信號(hào)的相位與轉(zhuǎn)子磁極相位，或曰電角度相位之間的對(duì)齊方法如下：1.用一個(gè)直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機(jī)軸定向至一個(gè)平衡位置；2.用示波器觀察編碼器的U相信號(hào)和Z信號(hào)；