永磁交流伺服电机的工作原理与更换新编码器后的常规零位.doc

永磁交流伺服电机工作原理与更换新编码器后常规零位永磁交流伺服电机工作原理与更换新编码器后常规零位校正方法永磁交流伺服电机编码器相位为何要与转子磁极相位对齐其唯一目就是要达成矢量控制目标,使d轴励磁分量与q轴出力分量解耦,令永磁交流伺服电机定子绕组产生电磁场始终正交于转子永磁场,从而获得最佳出力效果,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控制目标外在表现就是永磁交流伺服电机"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"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"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正弦型相电流波形了。在此需要明示是,永磁交流伺服电机所谓电角度就是a相(U相)相反电势波形正弦(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对齐关系;另一方面,电角度也是转子坐标系d轴(直轴)与定子坐标系a轴(U轴)或α轴之间夹角,这一点有助于图形化剖析。在实际操作中,欧美厂商****惯于采用给电机绕组通以小于额定电流直流电流使电机转子定向方法来对齐编码器与转子磁极相位。当电机绕组通入小于额定电流直流电流时,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度相位平衡位置上,如下图所示:图3对比上面图3与图2可见,虽然a相(U相)绕组(红色)位置同处于电磁场波形峰值中心(特定角度),但FOC控制下,a相(U相)中心与永磁体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d轴在空载定向时有会左移90度电角度,与FOC控制下q轴原有位置重合,这样就实现了转子空载定向时a轴(U轴)或α轴与d轴间对齐关系。此时相位对齐到电角度0度,电机绕组中施加转子定向电流方向为a相(U相)入,bc相(VW相)出,由于b相(V相)与c相(W相)是并联关系,流经b相(V相)与c相(W相)电流有可能出现不平衡,从而影响转子定向准确性。实用化转子定向电流施加方法是a相(U相)入,b相(V相)出,即a相(U相)与b相(V相)串联,可获得幅值完全一致a相(U相)与b相(V相)电流,有利于定向准确性,此时a相(U相)绕组(红色)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度电角度位置上,如图所示:图4上述两种转子定向方法对应绕组相反电势波形与线反电势,以及电角度关系如下图所示,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转子坐标系与abc(UVW)或αβ定子坐标系中矢量关系如图6所示:图中棕色线所示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度电流矢量,空载下电机转子d轴会移向FOC控制下电角度相位为90度电流矢量q轴分量所处位置,即图中与a轴或α轴重合位置,并最终定向于该位置,即电角度0度。紫色线所示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度电流矢量,空载下电机转子d轴会移向在FOC下电角度相位为60度电流矢量q轴分量所处位置,即图中与a轴或α轴沿顺时针方向相差30度位置,并最终定向于该位置,即电角度-30度。图6说明一点:文中有关U、V、W相与a、b、c相,U、V、W轴与a、b、c轴叙述具有一一对应关系。主流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。增量式编码器相位对齐方式在此讨论中,增量式编码器输出信号为方波信号,又可以分为带换相信号增量式编码器与普通增量式编码器,普通增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A与B,以及零位信号Z;带换相信号增量式编码器除具备ABZ输出信号外,还具备互差120度电子换相信号UVW,UVW各自每转周期数与电机转子磁极对数一致。带换相信号增量式编码器UVW电子换相信号相位与转子磁极相位,或曰电角度相位之间对齐方法如下:,U入,V出,将电机轴定向至一个平衡位置;;;,一边观察编码器U相信号跳变沿,与Z信号,直到Z信号稳定在高电平上(在此