伺服電機轉子反饋的檢測相位與轉子磁極相位的對齊方式

論壇中總是有人問及伺服電機編碼器相位與轉子磁極相位零點如何對齊的問題，這樣的問題論壇中多有回答，本人也曾在多個帖子有所回復，鑒于本人的回復較為零散，早就想整理集中一下，只是一直未能如愿，今借十一長假之際，將自己對這一問題的經驗和體會整理匯總一下，以供大家參考，或者有個全面的了解。

永磁交流伺服電機的編碼器相位為何要與轉子磁極相位對齊

其唯一目的就是要達成矢量控制的目標，使d軸勵磁分量和q軸出力分量解耦，令永磁交流伺服電機定子繞組產生的電磁場始終正交于轉子永磁場，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定向控制（FOC），達成FOC控制目標的外在表現就是永磁交流伺服電機的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致，如下圖所示：




如何想辦法使永磁交流伺服電機的“相電流”波形始終與“相反電勢”波形保持一致呢？由圖1可知，只要能夠隨時檢測到正弦型反電勢波形的電角度相位，然后就可以相對容易地根據此相位生成與反電勢波形一致的正弦型相電流波形了，因此相位對齊就可以轉化為編碼器相位與反電勢波形相位的對齊關系。

在實際操作中，歐美廠商習慣于采用給電機的繞組通以小于額定電流的直流電流使電機轉子定向的方法來對齊編碼器和轉子磁極的相位。當電機的繞組通入小于額定電流的直流電流時，在無外力條件下，初級電磁場與磁極永磁場相互作用，會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：



上述兩種轉子定向方法對應的繞組相反電勢波形和線反電勢，以及電角度的關系如下圖所示，棕色線為a軸或α軸與d軸對齊，即直接對齊到電角度0點，紫色線為a軸或α軸對齊到與d差（負）30度的電角度位置，即對齊到-30度電角度點：




d、q軸矢量與a、b、c軸或α、β軸之間的角度的關系如下圖所示，棕色線d軸與a軸或α軸對齊，即直接對齊到電角度0點，紫色線為d‘軸與a軸或α軸相差30度，即對齊到-30度電角度點：




主流的伺服電機位置反饋元件包括增量式編碼器，絕對式編碼器，正余弦編碼器，旋轉變壓器等。
增量式編碼器的相位對齊方式
在此討論中，增量式編碼器的輸出信號為方波信號，又可以分為帶換相信號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A和B，以及零位信號Z；帶換相信號的增量式編碼器除具備ABZ輸出信號外，還具備互差120度的電子換相信號UVW，UVW各自的每轉周期數與電機轉子的磁極對數一致。帶換相信號的增量式編碼器的UVW電子換相信號的相位與轉子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下：
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，將電機軸定向至一個平衡位置；
2.用示波器觀察編碼器的U相信號和Z信號；
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U相信號跳變沿，和Z信號，直到Z信號穩定在高電平上（在此默認Z信號的常態為低電平），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，Z信號都能穩定在高電平上，則對齊有效。

撤掉直流電源后，驗證如下：
1.用示波器觀察編碼器的U相信號和電機的UV線反電勢波形；
2.轉動電機軸，編碼器的U相信號上升沿與電機的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合，編碼器的Z信號也出現在這個過零點上。
上述驗證方法，也可以用作對齊方法。

需要注意的是，此時增量式編碼器的U相信號的相位零點即與電機UV線反電勢的相位零點對齊，由于電機的U相反電勢，與UV線反電勢之間相差30度，因而這樣對齊后，增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機U相反電勢的-30度相位點對齊，而電機電角度相位與U相反電勢波形的相位一致，所以此時增量式編碼器的U相信號的相位零點與電機電角度相位的-30度點對齊。

有些伺服企業習慣于將編碼器的U相信號零點與電機電角度的零點直接對齊，為達到此目的，可以：
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，一邊觀察編碼器的U相信號上升沿和電機U相反電勢波形由低到高的過零點，最終使上升沿和過零點重合，鎖定編碼器與電機的相對位置關系，完成對齊。

由于普通增量式編碼器不具備UVW相位信息，而Z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，因而不作為本討論的話題。

絕對式編碼器的相位對齊方式

絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實都是在一圈內對齊編碼器的檢測相位與電機電角度的相位。早期的絕對式編碼器會以單獨的引腳給出單圈相位的最高位的電平，利用此電平的0和1的翻轉，也可以實現編碼器和電機的相位對齊，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，將電機軸定向至一個平衡位置；
2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計數位電平信號；
3.調整編碼器轉軸與電機軸的相對位置；
4.一邊調整，一邊觀察最高計數位信號的跳變沿，直到跳變沿準確出現在電機軸的定向平衡位置處，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，跳變沿都能準確復現，則對齊有效。

這類絕對式編碼器目前已經被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協議，以及日系專用串行協議的新型絕對式編碼器廣泛取代，因而最高位信號就不符存在了，此時對齊編碼器和電機相位的方法也有所變化，其中一種非常實用的方法是利用編碼器內部的EEPROM，存儲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.將編碼器隨機安裝在電機上，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.用伺服驅動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內部記錄電機電角度初始相位的EEPROM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，因此存入的編碼器內部EEPROM中的位置檢測值就對應電機電角度的-30度相位。此后，驅動器將任意時刻的單圈位置檢測數據與這個存儲值做差，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。

這種對齊方式需要編碼器和伺服驅動器的支持和配合方能實現，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調整的根本原因就在于不肯向用戶提供這種對齊方式的功能界面和操作方法。這種對齊方法的一大好處是，只需向電機繞組提供確定相序和方向的轉子定向電流，無需調整編碼器和電機軸之間的角度關系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機上，且無需精細，甚至簡單的調整過程，操作簡單，工藝性好。

如果絕對式編碼器既沒有可供使用的EEPROM，又沒有可供檢測的最高計數位引腳，則對齊方法會相對復雜。如果驅動器支持單圈絕對位置信息的讀出和顯示，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絕對編碼器的單圈位置值； 
3.調整編碼器轉軸與電機軸的相對位置；
4.經過上述調整，使顯示的單圈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單圈絕對位置點，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，上述折算位置點都能準確復現，則對齊有效。

如果用戶連絕對值信息都無法獲得，那么就只能借助原廠的專用工裝，一邊檢測絕對位置檢測值，一邊檢測電機電角度相位，利用工裝，調整編碼器和電機的相對角位置關系，將編碼器相位與電機電角度相位相互對齊，然后再鎖定。這樣一來，用戶就更加無從自行解決編碼器的相位對齊問題了。

個人推薦采用在EEPROM中存儲初始安裝位置的方法，簡單，實用，適應性好，便于向用戶開放，以便用戶自行安裝編碼器，并完成電機電角度的相位整定。


正余弦編碼器的相位對齊方式

普通的正余弦編碼器具備一對正交的sin，cos 1Vp-p信號，相當于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復許許多多個信號周期，比如2048等；以及一個窄幅的對稱三角波Index信號，相當于增量式編碼器的Z信號，一圈一般出現一個；這種正余弦編碼器實質上也是一種增量式編碼器。另一種正余弦編碼器除了具備上述正交的sin、cos信號外，還具備一對一圈只出現一個信號周期的相互正交的1Vp-p的正弦型C、D信號，如果以C信號為sin，則D信號為cos，通過sin、cos信號的高倍率細分技術，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經2048細分后，就可以達到每轉400多萬線的名義檢測分辨率，當前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統，而國內廠家尚不多見；此外帶C、D信號的正余弦編碼器的C、D信號經過細分后，還可以提供較高的每轉絕對位置信息，比如每轉2048個絕對位置，因此帶C、D信號的正余弦編碼器可以視作一種模擬式的單圈絕對編碼器。

采用這種編碼器的伺服電機的初始電角度相位對齊方式如下：
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，將電機軸定向至一個平衡位置；
2.用示波器觀察正余弦編碼器的C信號波形；
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C信號波形，直到由低到高的過零點準確出現在電機軸的定向平衡位置處，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，過零點都能準確復現，則對齊有效。

撤掉直流電源后，驗證如下：
1.用示波器觀察編碼器的C相信號和電機的UV線反電勢波形；
2.轉動電機軸，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。