伺服電機維修經驗匯總(二)
此時C信號的過零點與電機電角度相位的-30度點對齊。
如果想直接和電機電角度的0度點對齊,可以考慮:
1.用3個阻值相等的電阻接成星型,然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線;
2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點,就可以近似得到電機的U相反電勢波形;
3.調整編碼器轉軸與電機軸的相對位置;
4.一邊調整,一邊觀察編碼器的C相信號由低到高的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點,最終使2個過零點重合,鎖定編碼器與電機的相對位置關系,完成對齊。
由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內的相位信息,而Index信號也只能反映一圈內的一個點位,不具備直接的相位對齊潛力,因而在此也不作為討論的話題。
如果可接入正余弦編碼器的伺服驅動器能夠為用戶提供從C、D中獲取的單圈絕對位置信息,則可以考慮:
1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電,U入,V出,將電機軸定向至一個平衡位置;
2.利用伺服驅動器讀取并顯示從C、D信號中獲取的單圈絕對位置信息;
3.調整旋變軸與電機軸的相對位置;
4.經過上述調整,使顯示的絕對位置值充分接近根據電機的極對數折算出來的電機-30度電角度所應對應的絕對位置點,鎖定編碼器與電機的相對位置關系;
5.來回扭轉電機軸,撒手后,若電機軸每次自由回復到平衡位置時,上述折算絕對位置點都能準確復現,則對齊有效。
此后可以在撤掉直流電源后,得到與前面基本相同的對齊驗證效果:
1.用示波器觀察正余弦編碼器的C相信號和電機的UV線反電勢波形;
2.轉動電機軸,驗證編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。
如果利用驅動器內部的EEPROM等非易失性存儲器,也可以存儲正余弦編碼器隨機安裝在電機軸上后實測的相位,具體方法如下:
1.將正余弦隨機安裝在電機上,即固結編碼器轉軸與電機軸,以及編碼器外殼與電機外殼;
2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電,U入,V出,將電機軸定向至一個平衡位置;
3.用伺服驅動器讀取由C、D信號解析出來的單圈絕對位置值,并存入驅動器內部記錄電機電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲器中;
4.對齊過程結束。
由于此時電機軸已定向于電角度相位的-30度方向,因此存入的驅動器內部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應電機電角度的-30度相位。此后,驅動器將任意時刻由編碼器解析出來的與電角度相關的單圈絕對位置值與這個存儲值做差,并根據電機極對數進行必要的換算,再加上-30度,就可以得到該時刻的電機電角度相位。
這種對齊方式需要伺服驅動器的在國內和操作上予以支持和配合方能實現,而且由于記錄電機電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅動器中,因此一旦對齊后,電機就和驅動器事實上綁定了,如果需要更換電機、正余弦編碼器、或者驅動器,都需要重新進行初始安裝相位的對齊操作,并重新綁定電機和驅動器的配套關系。
旋轉變壓器的相位對齊方式
旋轉變壓器簡稱旋變,是由經過特殊電磁設計的高性能硅鋼疊片和漆包線構成的,相比于采用光電技術的編碼器而言,具有耐熱,耐振。耐沖擊,耐油污,甚至耐腐蝕等惡劣工作環境的適應能力,因而為武器系統等工況惡劣的應用廣泛采用,一對極(單速)的旋變可以視作一種單圈絕對式反饋系統,應用也最為廣泛,因而在此僅以單速旋變為討論對象,多速旋變與伺服電機配套,個人認為其極對數最好采用電機極對數的約數,一便于電機度的對應和極對數分解。
旋變的信號引線一般為6根,分為3組,分別對應一個激勵線圈,和2個正交的感應線圈,激勵線圈接受輸入的正弦型激勵信號,感應線圈依據旋變轉定子的相互角位置關系,感應出來具有SIN和COS包絡的檢測信號。旋變SIN和COS輸出信號是根據轉定子之間的角度對激勵正弦信號的調制結果,如果激勵信號是sinωt,轉定子之間的角度為θ,則SIN信號為sinωt×sinθ,則COS信號為sinωt×cosθ,根據SIN,COS信號和原始的激勵信號,通過必要的檢測電路,就可以獲得較高分辨率的位置檢測結果,目前商用旋變系統的檢測分辨率可以達到每圈2的12次方,即4096,而科學研究和航空航天系統甚至可以達到2的20次方以上,不過體積和成本也都非??捎^。
商用旋變與伺服電機電角度相位的對齊方法如下:
1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電,U入,V出;
2.然后用示波器觀察旋變的SIN線圈的信號引線輸出;
3.依據操作的方便程度,調整電機軸上的旋變轉子與電機軸的相對位置,或者旋變定子與電機外殼的相對位置;
4.一邊調整,一邊觀察旋變SIN信號的包絡,一直調整到信號包絡的幅值完全歸零,鎖定旋變;
5.來回扭轉電機軸,撒手后,若電機軸每次自由回復到平衡位置時,信號包絡的幅值過零點都能準確復現,則對齊有效 。
撤掉直流電源,進行對齊驗證:
1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機的UV線反電勢波形;
2.轉動電機軸,驗證旋變的SIN信號包絡過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。
這個驗證方法,也可以用作對齊方法。
此時SIN信號包絡的過零點與電機電角度相位的-30度點對齊。
如果想直接和電機電角度的0度點對齊,可以考慮:
1.用3個阻值相等的電阻接成星型,然后將星型連接的3個電阻分別接入電機的UVW三相繞組引線;
2.以示波器觀察電機U相輸入與星型電阻的中點,就可以近似得到電機的U相反電勢波形;
3.依據操作的方便程度,調整編碼器轉軸與電機軸的相對位置,或者編碼器外殼與電機外殼的相對位置;
4.一邊調整,一邊觀察旋變的SIN信號包絡的過零點和電機U相反電勢波形由低到高的過零點,最終使這2個過零點重合,鎖定編碼器與電機的相對位置關系,完成對齊。
需要指出的是,在上述操作中需有效區分旋變的SIN包絡信號中的正半周和負半周。由于SIN信號是以轉定子之間的角度為θ的sinθ值對激勵信號的調制結果,因而與sinθ的正半周對應的SIN信號包絡中,被調制的激勵信號與原始激勵信號同相,而與sinθ的負半周對應的SIN信號包絡中,被調制的激勵信號與原始激勵信號反相,據此可以區別判斷旋變輸出的SIN包絡信號波形中的正半周和負半周,對齊時,需要取sinθ由負半周向正半周過渡點對應的SIN包絡信號的過零點,如果取反了,或者未加準確判斷的話,對齊后的電角度有可能錯位180度,從而有可能造成速度外環進入正反饋。
如果可接入旋變的伺服驅動器能夠為用戶提供從旋變信號中獲取的與電機電角度相關的絕對位置信息,則可以考慮:
1.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電,U入,V出,將電機軸定向至一個平衡位置;
2.利用伺服驅動器讀取并顯示從旋變信號中獲取的與電機電角度相關的絕對位置信息;
3.依據操作的方便程度,調整旋變軸與電機軸的相對位置,或者旋變外殼與電機外殼的相對位置;
4.經過上述調整,使顯示的絕對位置值充分接近根據電機的極對數折算出來的電機-30度電角度所應對應的絕對位置點,鎖定編碼器與電機的相對位置關系;
5.來回扭轉電機軸,撒手后,若電機軸每次自由回復到平衡位置時,上述折算絕對位置點都能準確復現,則對齊有效。
此后可以在撤掉直流電源后,得到與前面基本相同的對齊驗證效果:
1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機的UV線反電勢波形;
2.轉動電機軸,驗證旋變的SIN信號包絡過零點與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。
如果利用驅動器內部的EEPROM等非易失性存儲器,也可以存儲旋變隨機安裝在電機軸上后實測的相位,具體方法如下:
1.將旋變隨機安裝在電機上,即固結旋變轉軸與電機軸,以及旋變外殼與電機外殼;
2.用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電,U入,V出,將電機軸定向至一個平衡位置;
3.用伺服驅動器讀取由旋變解析出來的與電角度相關的絕對位置值,并存入驅動器內部記錄電機電角度初始安裝相位的EEPROM等非易失性存儲器中;
4.對齊過程結束。
由于此時電機軸已定向于電角度相位的-30度方向,因此存入的驅動器內部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應電機電角度的-30度相位。此后,驅動器將任意時刻由旋變解析出來的與電角度相關的絕對位置值與這個存儲值做差,并根據電機極對數進行必要的換算,再加上-30度,就可以得到該時刻的電機電角度相位。
這種對齊方式需要伺服驅動器的在國內和操作上予以支持和配合方能實現,而且由于記錄電機電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅動器中,因此一旦對齊后,電機就和驅動器事實上綁定了,如果需要更換電機、旋變、或者驅動器,都需要重新進行初始安裝相位的對齊操作,并重新綁定電機和驅動器的配套關系。
注意
1.以上討論中,所謂對齊到電機電角度的-30度相位的提法,是以UV反電勢波形滯后于U相30度的前提為條件。
2.以上討論中,都以UV相通電,并參考UV線反電勢波形為例,有些伺服系統的對齊方式可能會采用UW相通電并參考UW線反電勢波形。
3.如果想直接對齊到電機電角度0度相位點,也可以將U相接入低壓直流源的正極,將V相和W相并聯后接入直流源的負端,此時電機軸的定向角相對于UV相串聯通電的方式會偏移30度,以文中給出的相應對齊方法對齊后,原則上將對齊于電機電角度的0度相位,而不再有-30度的偏移量。這樣做看似有好處,但是考慮電機繞組的參數不一致性,V相和W相并聯后,分別流經V相和W相繞組的電流很可能并不一致,從而會影響電機軸定向角度的準確性。而在UV相通電時,U相和V相繞組為單純的串聯關系,因此流經U相和V相繞組的電流必然是一致的,電機軸定向角度的準確性不會受到繞組定向電流的影響。
4.不排除伺服廠商有意將初始相位錯位對齊的可能性,尤其是在可以提供絕對位置數據的反饋系統中,初始相位的錯位對齊將很容易被數據的偏置量補償回來,以此種方式也許可以起到某種保護自己產品線的作用。只是這樣一來,用戶就更加無從知道伺服電機反饋元件的初始相位到底該對齊到哪兒了。用戶自然也不愿意遇到這樣的供應商。
對于直線電機而言,采用增量式直線編碼器+UVW霍爾相位檢測信號的方式可以借鑒上面的帶UVW相位的增量式編碼器的方式;
采用絕對式直線編碼器反饋的直線電機,可以參考上述絕對式編碼器的方式;
帶C、D信號的直線編碼器目前本人上位見過,而且長距離的感覺也很難實現,故在直線電機應用可以不考慮;
與旋變對應的直線感應式傳感器為感應同步器,不過目前應用日少,而且其印刷“繞組”的物理節距(毫米級)往往小于直線電機的永磁體極距(幾十毫米級),所以無法與旋變應用直接對應,如果一定要用,可參照“增量式直線編碼器+UVW霍爾相位檢測信號的方式”。
增量式編碼器相對容易實現以單一儀器進行檢測,畢竟其信號相對簡單。
絕對式編碼器就不那么容易,因為各家有各家的串行協議,比如海德漢的EnDAT,施曼/施克的Hyperface,BiSS,SSI等,除了SSI相對簡單,其它都有一定的復雜度,而且互不兼容,雖然協議是對用戶公開的,但每種協議都得做進檢測儀器里。而對于日系伺服用的偽絕對式編碼器,除了多摩川的編碼器串行協議可以向用戶公開,山洋的可以部分向用戶公開外,其它的什么三菱、安川、松下等等都對用戶保密,拿不到協議,也就沒法用單一儀器進行檢測了。
曾提及“對關于如何有效區分旋變的SIN包絡信號中的正半周和負半周”,說明了旋變的SIN、COS包絡信號中的正半周和負半周的波形特點,如下所示:
由此可見,正半周和負半周中,被調制后的激勵信號的相位是有差別的,正半周中被調制后的激勵信號與原始激勵信號同相,而負半周中被調制后的激勵信號與原始激勵信號反,據此就可以在電機電機電角度初始相位對齊的過程有效區分SIN包絡信號中的正半周和負半周,避免因無從判斷而可能導致錯位180度對齊的問題。
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