永磁交流伺服電機(jī)的編碼器相位為何要與轉(zhuǎn)子磁極相位對齊

其唯一目的就是要達(dá)成矢量控制的目標(biāo)，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(jī)定子繞組產(chǎn)生的電磁場始終正交于轉(zhuǎn)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(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”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”波形保持一致，就可以達(dá)成FOC控制目標(biāo)，使永磁交流伺服電機(jī)的初級電磁場與磁極永磁場正交，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”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(jù)電角度相位生成與反電勢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）相反電勢波形的正弦（Sin）相位，因此相位對齊就可以轉(zhuǎn)化為編碼器相位與反電勢波形相位的對齊關(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，這一點有助于圖形化分析。

在實際操作中，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，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：

圖3

對比上面的圖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軸對齊；而空載定向時，a相（U相）中心卻與d軸對齊。也就是說相對于初級（定子）繞組而言，次級（轉(zhuǎn)子）磁體坐標(biāo)系的d軸在空載定向時有會左移90度電角度，與FOC控制下q軸的原有位置重合，這樣就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子空載定向時a軸（U軸）或α軸與d軸間的對齊關(guān)系。

此時相位對齊到電角度0度，電機(jī)繞組中施加的轉(zhuǎn)子定向電流的方向為a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軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置上，如圖所示：

圖4

上述兩種轉(zhuǎn)子定向方法對應(yīng)的繞組相反電勢波形和線反電勢，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軸對齊，即直接對齊到電角度0點；紫色線為a軸（U軸）或α軸對齊到與d軸相差（負(fù)）30度的電角度位置，即對齊到-30度電角度點：

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軸對齊，即對齊到電角度0點。對齊方法是對電機(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，即對齊到-30度電角度點。對齊方法是對電機(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：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(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)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(zhuǎn)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(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(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)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(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，Z信號都能穩(wěn)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(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，編碼器的U相信號上升沿與電機(jī)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(xiàn)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(jī)UV線反電勢的相位零點對齊，由于電機(jī)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(jī)U相反電勢的-30度相位點對齊，而電機(jī)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(jī)電角度相位的-30度點對齊。

有些伺服企業(yè)習(xí)慣于將編碼器的U相信號零點與電機(jī)電角度的零點直接對齊，為達(dá)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(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機(jī)外殼的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的U相信號上升沿和電機(jī)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(jī)的相對位置關(guān)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(nèi)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(nèi)對齊編碼器的檢測相位與電機(jī)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(zhuǎn)，也可以實現(xiàn)編碼器和電機(jī)的相位對齊，方法如下：

1.用一個直流電源給電機(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)軸定向至一個平衡位置；

2.用示波器觀察絕對編碼器的最高計數(shù)位電平信號；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察最高計數(shù)位信號的跳變沿，直到跳變沿準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，跳變沿都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效。

這類絕對式編碼器目前已經(jīng)被采用EnDAT，BiSS，Hyperface等串行協(xié)議，以及日系專用串行協(xié)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(jī)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(nèi)部的EEPROM，存儲編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實測的相位，具體方法如下：

1.將編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個直流電源給電機(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)軸定向至一個平衡位置；

3.用伺服驅(qū)動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM中；

4.對齊過程結(jié)束。

由于此時電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的編碼器內(nèi)部EEPROM中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻的單圈位置檢測數(shù)據(jù)與這個存儲值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要編碼器和伺服驅(qū)動器的支持和配合方能實現(xiàn)，日系伺服的編碼器相位之所以不便于最終用戶直接調(diào)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(jī)繞組提供確定相序和方向的轉(zhuǎn)子定向電流，無需調(diào)整編碼器和電機(jī)軸之間的角度關(guān)系，因而編碼器可以以任意初始角度直接安裝在電機(jī)上，且無需精細(xì)，甚至簡單的調(diào)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(shù)位引腳，則對齊方法會相對復(fù)雜。如果驅(qū)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(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)軸定向至一個平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示絕對編碼器的單圈位置值；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的單圈絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的單圈絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，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(jī)電角度相位，利用工裝，調(diào)整編碼器和電機(jī)的相對角位置關(guān)系，將編碼器相位與電機(jī)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(yīng)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(jī)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(dāng)于方波信號的增量式編碼器的AB正交信號，每圈會重復(fù)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(dāng)于增量式編碼器的Z信號，一圈一般出現(xiàn)一個；這種正余弦編碼器實質(zhì)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(xiàn)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(xì)分技術(shù)，不僅可以使正余弦編碼器獲得比原始信號周期更為細(xì)密的名義檢測分辨率，比如2048線的正余弦編碼器經(jīng)2048細(xì)分后，就可以達(dá)到每轉(zhuǎn)400多萬線的名義檢測分辨率，當(dāng)前很多歐美伺服廠家都提供這類高分辨率的伺服系統(tǒng)，而國內(nèi)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(jīng)過細(xì)分后，還可以提供較高的每轉(zhuǎn)絕對位置信息，比如每轉(zhuǎn)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(jī)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(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(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察C信號波形，直到由低到高的過零點準(zhǔn)確出現(xiàn)在電機(jī)軸的定向平衡位置處，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，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(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。

這種驗證方法，也可以用作對齊方法。

此時C信號的過零點與電機(jī)電角度相位的-30度點對齊。

如果想直接和電機(jī)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(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器的C相信號由低到高的過零點和電機(jī)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(jī)的相對位置關(guān)系，完成對齊。

由于普通正余弦編碼器不具備一圈之內(nèi)的相位信息，而Index信號也只能反映一圈內(nèi)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(qū)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(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)軸定向至一個平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)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(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，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(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，驗證編碼器的C相信號由低到高的過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。

如果利用驅(qū)動器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲器，也可以存儲正余弦編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實測的相位，具體方法如下：

1.將正余弦隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個直流電源給電機(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)軸定向至一個平衡位置；

3.用伺服驅(qū)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(qū)動器內(nèi)部記錄電機(jī)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(jié)束。

由于此時電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻由編碼器解析出來的與電角度相關(guān)的單圈絕對位置值與這個存儲值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要伺服驅(qū)動器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實現(xiàn)，而且由于記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅(qū)動器中，因此一旦對齊后，電機(jī)就和驅(qū)動器事實上綁定了，如果需要更換電機(jī)、正余弦編碼器、或者驅(qū)動器，都需要重新進(jìn)行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機(jī)和驅(qū)動器的配套關(guān)系。

旋轉(zhuǎn)變壓器的相位對齊方式

旋轉(zhuǎn)變壓器簡稱旋變，是由經(jīng)過特殊電磁設(shè)計的高性能硅鋼疊片和漆包線構(gòu)成的，相比于采用光電技術(shù)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(huán)境的適應(yīng)能力，因而為武器系統(tǒng)等工況惡劣的應(yīng)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(tǒng)，應(yīng)用也最為廣泛，因而在此僅以單速旋變?yōu)橛懻搶ο螅嗨傩兣c伺服電機(jī)配套，個人認(rèn)為其極對數(shù)最好采用電機(jī)極對數(shù)的約數(shù)，一便于電機(jī)度的對應(yīng)和極對數(shù)分解。

旋變的信號引線一般為6根，分為3組，分別對應(yīng)一個激勵線圈，和2個正交的感應(yīng)線圈，激勵線圈接受輸入的正弦型激勵信號，感應(yīng)線圈依據(jù)旋變轉(zhuǎn)定子的相互角位置關(guān)系，感應(yīng)出來具有SIN和COS包絡(luò)的檢測信號。旋變SIN和COS輸出信號是根據(jù)轉(zhuǎn)定子之間的角度對激勵正弦信號的調(diào)制結(jié)果，如果激勵信號是sinωt，轉(zhuǎn)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(jù)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(jié)果，目前商用旋變系統(tǒng)的檢測分辨率可以達(dá)到每圈2的12次方，即4096，而科學(xué)研究和航空航天系統(tǒng)甚至可以達(dá)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(jī)電角度相位的對齊方法如下：

1.用一個直流電源給電機(jī)的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出；

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(jù)操作的方便程度，調(diào)整電機(jī)軸上的旋變轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變定子與電機(jī)外殼的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變SIN信號的包絡(luò)，一直調(diào)整到信號包絡(luò)的幅值完全歸零，鎖定旋變；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，信號包絡(luò)的幅值過零點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，則對齊有效 。

撤掉直流電源，進(jìn)行對齊驗證：

1.用示波器觀察旋變的SIN信號和電機(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，驗證旋變的SIN信號包絡(luò)過零點與電機(jī)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(luò)的過零點與電機(jī)電角度相位的-30度點對齊。

如果想直接和電機(jī)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(jī)的UVW三相繞組引線；

2.以示波器觀察電機(jī)U相輸入與星型電阻的中點，就可以近似得到電機(jī)的U相反電勢波形；

3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對位置，或者編碼器外殼與電機(jī)外殼的相對位置；

4.一邊調(diào)整，一邊觀察旋變的SIN信號包絡(luò)的過零點和電機(jī)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(jī)的相對位置關(guān)系，完成對齊。

需要指出的是，在上述操作中需有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號中的正半周和負(fù)半周。由于SIN信號是以轉(zhuǎn)定子之間的角度為θ的sinθ值對激勵信號的調(diào)制結(jié)果，因而與sinθ的正半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號同相，而與sinθ的負(fù)半周對應(yīng)的SIN信號包絡(luò)中，被調(diào)制的激勵信號與原始激勵信號反相，據(jù)此可以區(qū)別判斷旋變輸出的SIN包絡(luò)信號波形中的正半周和負(fù)半周，對齊時，需要取sinθ由負(fù)半周向正半周過渡點對應(yīng)的SIN包絡(luò)信號的過零點，如果取反了，或者未加準(zhǔn)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(huán)進(jìn)入正反饋。

如果可接入旋變的伺服驅(qū)動器能夠為用戶提供從旋變信號中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息，則可以考慮：

1.用一個直流電源給電機(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)軸定向至一個平衡位置；

2.利用伺服驅(qū)動器讀取并顯示從旋變信號中獲取的與電機(jī)電角度相關(guān)的絕對位置信息；

3.依據(jù)操作的方便程度，調(diào)整旋變軸與電機(jī)軸的相對位置，或者旋變外殼與電機(jī)外殼的相對位置；

4.經(jīng)過上述調(diào)整，使顯示的絕對位置值充分接近根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)折算出來的電機(jī)-30度電角度所應(yīng)對應(yīng)的絕對位置點，鎖定編碼器與電機(jī)的相對位置關(guān)系；

5.來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時，上述折算絕對位置點都能準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，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(jī)的UV線反電勢波形；

2.轉(zhuǎn)動電機(jī)軸，驗證旋變的SIN信號包絡(luò)過零點與電機(jī)的UV線反電勢波形由低到高的過零點重合。

如果利用驅(qū)動器內(nèi)部的EEPROM等非易失性存儲器，也可以存儲旋變隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實測的相位，具體方法如下：

1.將旋變隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)旋變轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及旋變外殼與電機(jī)外殼；

2.用一個直流電源給電機(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)軸定向至一個平衡位置；

3.用伺服驅(qū)動器讀取由旋變解析出來的與電角度相關(guān)的絕對位置值，并存入驅(qū)動器內(nèi)部記錄電機(jī)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(jié)束。

由于此時電機(jī)軸已定向于電角度相位的-30度方向，因此存入的驅(qū)動器內(nèi)部EEPROM等非易失性存儲器中的位置檢測值就對應(yīng)電機(jī)電角度的-30度相位。此后，驅(qū)動器將任意時刻由旋變解析出來的與電角度相關(guān)的絕對位置值與這個存儲值做差，并根據(jù)電機(jī)極對數(shù)進(jìn)行必要的換算，再加上-30度，就可以得到該時刻的電機(jī)電角度相位。

這種對齊方式需要伺服驅(qū)動器的在國內(nèi)和操作上予以支持和配合方能實現(xiàn)，而且由于記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM等非易失性存儲器位于伺服驅(qū)動器中，因此一旦對齊后，電機(jī)就和驅(qū)動器事實上綁定了，如果需要更換電機(jī)、旋變、或者驅(qū)動器，都需要重新進(jìn)行初始安裝相位的對齊操作，并重新綁定電機(jī)和驅(qū)動器的配套關(guān)系。

注意

1.以上討論中，所謂對齊到電機(jī)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(tǒng)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(jī)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(lián)后接入直流源的負(fù)端，此時電機(jī)軸的定向角相對于UV相串聯(lián)通電的方式會偏移30度，以文中給出的相應(yīng)對齊方法對齊后，原則上將對齊于電機(jī)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(jī)繞組的參數(shù)不一致性，V相和W相并聯(lián)后，分別流經(jīng)V相和W相繞組的電流很可能并不一致，從而會影響電機(jī)軸定向角度的準(zhǔn)確性。而在UV相通電時，U相和V相繞組為單純的串聯(lián)關(guān)系，因此流經(jīng)U相和V相繞組的電流必然是一致的，電機(jī)軸定向角度的準(zhǔn)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(shù)據(jù)的反饋系統(tǒng)中，初始相位的錯位對齊將很容易被數(shù)據(jù)的偏置量補(bǔ)償回來，以此種方式也許可以起到某種保護(hù)自己產(chǎn)品線的作用。只是這樣一來，用戶就更加無從知道伺服電機(jī)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(yīng)商。

電角度相位對齊的基本方法總結(jié)

1.波形觀察法

適用于帶換相信號的增量式編碼器、正余弦編碼、旋轉(zhuǎn)變壓器。

1） 以示波器直接觀察UV線反電勢波形過零點與傳感器的U相信號上升沿/Z信號、或Sin信號過零點、或Sin包絡(luò)信號過零點的相位對齊關(guān)系，以此方法可以將傳感器的上述信號邊沿或過零點對齊到-30度電角度相位；

2） 以阻值范圍適當(dāng)?shù)娜齻€等值電阻構(gòu)成星形，接入永磁伺服電機(jī)的UVW動力線，以示波器觀察U相動力線與星形等值電阻的中心點之間的虛擬U相反電勢波形與與傳感器的U相信號上升沿/Z信號、或Sin信號過零點、或Sin包絡(luò)信號過零點的相位對齊關(guān)系，以此方法可以將傳感器的上述信號邊沿或過零點對齊到電角度相位0點；

2.轉(zhuǎn)子定向法

適用于帶換相信號的增量式編碼器、正余弦編碼、旋轉(zhuǎn)變壓器的波形對齊，或者絕對式編碼器和正余弦編碼、旋轉(zhuǎn)變壓器等按可提供單圈絕對位置數(shù)值信息對齊。

1） 將U相接入低壓直流源的正極，V相接入直流源的負(fù)端，定向電機(jī)軸

此后一邊調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，一邊以示波器觀察傳感器信號，直到U相信號上升沿/Z信號、或Sin信號過零點、或Sin包絡(luò)信號過零點準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，以此方法可以將傳感器的上述信號邊沿或過零點對齊到 -30度電角度相位；

也可以一邊調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，一邊設(shè)法觀察單圈絕對位置的數(shù)值信息，直到數(shù)據(jù)零位準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，以此方法也可以將傳感器的單圈絕對位置零點對齊到 -30度電角度相位；

如果事先估算出 -30度電角度對應(yīng)的單圈絕對位置的數(shù)值，還可以調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，直到該數(shù)值準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，就可以將單圈絕對位置零點直接對齊到電角度相位0點（該方法可能比將在下一面 2） 中總結(jié)的后一條方法精確度更好一些）；

當(dāng)然也完全可以不調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，而是簡單地隨機(jī)安裝編碼器，把讀取到的單圈絕對位置信息作為初始安裝的偏置值，通過后續(xù)運算，實現(xiàn)單圈絕對位置信息和電角度相位零點的邏輯對齊，該方法的人工操作要求最低。

2） 將U相接入低壓直流源的正極，將V相和W相并聯(lián)后接入直流源的負(fù)端，定向電機(jī)軸

此后一邊調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，一邊以示波器觀察傳感器信號，直到U相信號上升沿/Z信號、或Sin信號過零點、或Sin包絡(luò)信號過零點準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，以此方法可以將傳感器的上述信號邊沿或過零點對齊到電角度相位0點；

也可以一邊調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對位置關(guān)系，一邊設(shè)法觀察單圈絕對位置的數(shù)值信息，直到數(shù)據(jù)零位準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，以此方法也可以將傳感器的上述信號邊沿或過零點對齊到電角度相位0點。

對于直線電機(jī)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(jī)，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(xiàn)，故在直線電機(jī)應(yīng)用可以不考慮；

與旋變對應(yīng)的直線感應(yīng)式傳感器為感應(yīng)同步器，不過目前應(yīng)用日少，而且其印刷“繞組”的物理節(jié)距（毫米級）往往小于直線電機(jī)的永磁體極距（幾十毫米級），所以無法與旋變應(yīng)用直接對應(yīng)，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(xiàn)以單一儀器進(jìn)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(xié)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(fù)雜度，而且互不兼容，雖然協(xié)議是對用戶公開的，但每種協(xié)議都得做進(jìn)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(xié)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(xié)議，也就沒法用單一儀器進(jìn)行檢測了。

“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(zhuǎn)周期數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)一致”

比如某個增量式編碼器的UVW信號，其每轉(zhuǎn)周期數(shù)為2，那么是不是該編碼器只能適用極對數(shù)為2的電機(jī)？還是說編碼器能根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)自動調(diào)節(jié)其UVW輸出信號的每轉(zhuǎn)周期數(shù)？謝謝！

尊敬的波恩樓主，您真是及時雨，最近我正為“正余弦編碼器”的工作原理犯愁，您無私的雪中送碳了，真實太感謝您了！

對于SIN、CON的反饋信號，DSP中是怎樣確認(rèn)其曲線上每點所對應(yīng)的磁極角度呢？（前提是：編碼器裝在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上）

to“vesgine”：一般而言，伺服電機(jī)在選用帶UVW信號的增量式編碼器時，都會選擇信號周期數(shù)與電機(jī)極對數(shù)相同，這樣做主要目的在于每次上電時為軟件提供電機(jī)電角度初始化的信號依據(jù)。如果編碼器信號周期數(shù)和電機(jī)極對數(shù)不匹配，電機(jī)電角度初始化算法就不便于直接利用UVW相位信息，這樣一來就不如直接用不帶UVW信號的最普通的增量式編碼器。

另外，編碼器的信號周期數(shù)和電機(jī)的極對數(shù)都是在物理上已經(jīng)做死的，因此不可能在安裝后再由“編碼器能根據(jù)電機(jī)的極對數(shù)自動調(diào)節(jié)其UVW輸出信號的每轉(zhuǎn)周期數(shù)”。

to“CGP888”：“對于SIN、CON的反饋信號，DSP中是怎樣確認(rèn)其曲線上每點所對應(yīng)的磁極角度呢？（前提是：編碼器裝在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上）”———這涉及正余弦編碼器信號的細(xì)分技術(shù)，國外稱之為內(nèi)插，已經(jīng)超出了本帖討論的電角度相位對齊的范圍。而且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界在這方面的能力目前還十分薄弱，就本人所知，國內(nèi)能自己做到2048線以上細(xì)分的產(chǎn)品還屈指可數(shù)，而國外目前只對國內(nèi)提供512細(xì)分的高速處理電路，4096以上的高速細(xì)分電路/IC基本是禁運的。所以突破正余弦編碼器信號的高速高倍率細(xì)分技術(shù)，對于國內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)界而言具有非常大的戰(zhàn)略意義和和市場價值。據(jù)說一家新興的民族數(shù)控企業(yè)已經(jīng)取得4096倍（以上）的高速細(xì)分產(chǎn)品的技術(shù)突破，這是值得稱道和令人鼓舞的。

ADI公司有一篇pdf文檔講述這方面的技術(shù)細(xì)節(jié)，“CGP888”不妨自己去它的網(wǎng)站看看，題目為“Extraction of High Resolution Position Information from Sinusoidal Encoders”。

初稿中曾提及“對關(guān)于如何有效區(qū)分旋變的SIN包絡(luò)信號中的正半周和負(fù)半周，本人尚無經(jīng)驗”，前天拿到一份多摩川的ppt講稿，里面有的2張圖可以說明了旋變的SIN、COS包絡(luò)信號中的正半周和負(fù)半周的波形特點，如下所示：

由此可見，正半周和負(fù)半周中，被調(diào)制后的激勵信號的相位是有差別的，正半周中被調(diào)制后的激勵信號與原始激勵信號同相，而負(fù)半周中被調(diào)制后的激勵信號與原始激勵信號反，據(jù)此就可以在電機(jī)電機(jī)電角度初始相位對齊的過程有效區(qū)分SIN包絡(luò)信號中的正半周和負(fù)半周，避免因無從判斷而可能導(dǎo)致錯位180度對齊的問題。