乾貨 | 淺析伺服系統應用中的編碼器除錯問題

雷賽交流伺服歷經15年的不斷進步，產品效能和穩定性國內持續領先，成為市場上廣受好評的伺服品牌。隨著伺服應用的擴大，在不同應用場合中，客戶希望伺服驅動器能與不同的伺服電機匹配。而雷賽LD5系列伺服驅動器通用性就非常強大，不僅可支援雷賽品牌伺服電機，同時支援直流無刷、空心杯、其他品牌交流伺服電機等多種電機形式。

這些電機中若具備電子銘牌功能，在應用中就可以直接使用，不需要需要調整編碼器；如雷賽交流伺服電機具有電子銘牌功能，能自動識別電機型號，引數並對應匹配引數就能發揮伺服優異效能。若不具備電子銘牌功能的電機，則需要調整編碼器和電角度。那麼，這類伺服電機如何選擇及調整編碼器以適配高低壓交流伺服驅動呢？

下面我們以雷賽LD5系列伺服為例，通過編碼器原理、霍爾應用原理、調整步驟三個方面進行解讀：

一、編碼器原理

編碼器的種類有很多種，輸出的訊號形式也有很多種，目前主要使用的為光電編碼器，輸出訊號形式為脈衝方式，其原理如下圖1-1

圖1-1

光電碼盤安裝在電機軸上，其上有環形通、暗的刻線。通過LED發射光源，多組光耦器件矩陣排列提升訊號穩定性，並通過接受光源的強弱，內部進行比較輸出A、B兩路訊號。A、B訊號相差90度相位差。另外每轉輸出一個Z相脈衝以代表零位參考位。

由於A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉。

為增加編碼器訊號長線傳輸的穩定性，A、B、Z訊號輸出時經差分輸出以增加訊號穩定性。

光電編碼器的霍爾訊號U、V、W其產生原理與A、B訊號基本一致。無刷或低壓伺服也有通過磁環及霍爾元件來產生霍爾訊號。

二、伺服電機中霍爾應用原理

眾所周知伺服電機相比其他電機具有很高的效率，其主要原因是伺服電機採用了向量控制的原理。簡單來說，伺服電機主要由旋轉的永磁體（轉子）和三組均勻分佈的線圈（定子）組成，線圈包圍著定子被固定在外部。電流流經線圈產生磁場，三組磁場相互疊加形成一個向量磁場。通過分別控制三組線圈上的電流大小，我們可以使定子產生任意方向和大小的磁場。

同時，通過定子和轉子磁場之間的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。對於轉子旋轉的任意角度，定子都存在著一個最優化的磁場方向，能產生最大的力矩。很顯然如果定子產生的磁場方向正交於轉子的磁場方向，這個位置就是產生最大力矩的位置。

固定線圈的空間電流向量具有一個固定的磁場方向，這完全由通過線圈的磁通大小和流經線圈的電流相互作用決定的。這樣我們就可以用空間電流向量來表徵定子的磁場，這個空間電流向量也就是三組線圈所產生的電流向量的空間疊加。這個就是伺服向量控制的基本原理。

1、 交流伺服電機的霍爾訊號應用原理

2、交流伺服驅動起得到運轉指令後，先根據電機霍爾U、V、W反饋的訊號判斷轉子初步位置，

給出初始電流使定子形成一個與在該區間轉子磁場垂直的磁場以驅動轉子運轉，當轉子帶動編碼器運轉使之輸出第一個霍爾上升下降沿（U、V、W中任一個發生高低電平變化）時，驅動器立即根據該轉子位置變換電流使定子形成與轉子磁場垂直的磁場，此後便根據A、B訊號判斷轉子的位置輸出電流，確保定子的磁場始終與轉子磁場垂直。為減少A、B訊號的累計誤差，每次遇到Z訊號時便對A、B訊號進行校正，以減少誤差累計。

2、 執行演示（為方便理解，用一對極電機作圖）

第一：判斷轉子位置

如圖1-2，編碼器讀數頭獲得的霍爾U、V、W訊號將轉子位置劃分為6個區域，霍爾訊號如下表

如圖1-3所示，轉子位於0-60°位置，則定子給出一與30°位置垂直的磁場使之旋轉，如下圖：

此磁場方向初始一直保持不變，直至遇到第一個霍爾上升下降沿，便進行改變，如圖1-4：

從此以後便根據A、B訊號判斷轉子位置，使定子磁場一直保持與轉子磁場垂直。

三、除錯步驟

1、 定義電機繞組U、V、W

電機繞組U、V、W反電動勢需滿足U超前V超前W。用示波器測量電機三相繞組的反電動勢波形，得到如下波形圖1-5：

圖1-5

則可定義黃色波形所對應繞組為U，藍色波形所對應繞組為V，紅色波形所對應繞組為W。

2、檢測編碼器定義旋轉正方向是否與電機旋轉正方向一致。

這一項很多朋友都很容易忽略，總是直接按編碼器的定義直接安裝驅動器的訊號要求來直接接線，經常導致有的訊號編碼器可以，換一種編碼器又不行。產生這個問題的原因主要是驅動器與編碼器不是同一家廠家生產的，所以其定義的旋轉正方向不一致，就目前我所除錯的編碼器來看，安華高、多摩川定義的旋轉方向與雷賽伺服定義一致，而內密控、丹納赫定義的旋轉方向相反。

所以對一個新的編碼器，一、通過資料判斷其定義的旋轉方向，二、通過測試來確定其旋轉方向，其方法如下：

1、按雷賽定義的旋轉方向（逆時針）運轉電機帶動編碼器運轉，測試其定義的A、B訊號波形，如圖

1-6：

圖1-6

如測試發現為B訊號超前A訊號90°，則需將A訊號定義為B訊號，B訊號定義為A訊號。如果不將A、B訊號重新定義，則編碼器反饋的行程與所運轉的行程相反，導致伺服電機“飛車”的產生。

2、按雷賽定義的旋轉方向（逆時針）運轉電機帶動編碼器運轉，測試其定義的霍爾U、V、W訊號波形，

現霍爾U、V、W訊號為霍爾U超前霍爾V超前霍爾W，則為符合雷賽伺服定義標準。如發現霍爾U超前霍爾W超前霍爾V，則需將霍爾W定義為霍爾V，霍爾V定義為W，如不進行重新定義，則根據上文中闡述的霍爾訊號應用原理，則會發生驅動器對轉子位置出現判斷錯誤的情況。

3、霍爾訊號與反電動勢相位關係

如圖1-7與1-8對相位關係

圖1-7與圖1-8

零相序為：霍爾U對UV線間反電動勢（探頭正接U、負接V）,

霍爾V對VW線間反電動勢（探頭正接V、負接W），霍爾W對WU線間反電動勢（探頭正接W、負接U）,相位關係為霍爾訊號的上升沿過零點對反電動勢上升沿的過零點。

146相序為：霍爾U對U相反電動勢（探頭正接U、負接零線）,

霍爾V對V相反電動勢（探頭正接V、負接零線），霍爾W對W相反電動勢（探頭正接W、負接零線）,相位關係為霍爾訊號的上升沿過零點對反電動勢上升沿的過零點。

通過以上的調整，大家就可以利用雷賽高可靠性的伺服驅動器匹配各型別伺服電機以滿足各類應用要求了。

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