CN104270042B - 伺服电机编码器偏移角度自动学习方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，包括如下步骤：首先，设置电角度θe从0°开始以第一固定时间为间隔依次递增并实时检测Z信号是否出现，所述电角度θe每次的递增量Δθe＝90°；接着，在所述Z信号出现时判断电机转速，并在所述电机转速在10rpm以下时延迟第二固定时间后设置电角度θe为30°；最后，延迟第三固定时间后，获取当前的电角度值，并根据所述当前的电角度值计算获得Z信号偏移角度值。本发明还提供了一种自动学习系统，该系统包括电角度给定模块和Z信号判断模块。本发明可在编码器安装偏移角未知的情况下自动完成编码器偏移角辨识功能，具有操作简单、辨识结果精度高、时间短、适用性强等优点。

Description

伺服电机编码器偏移角度自动学习方法及系统
技术领域
本发明涉及伺服电机技术领域，更具体地说，涉及一种伺服电机编码器偏移角度自动学习方法及系统。
背景技术
目前伺服电机厂家在安装增量式编码器的时候，需要借助伺服驱动器的调零功能，使编码器的Z信号零点按照指定的角度，为了方便实现，一般为30°/60°/90°/180°等。
传统的编码器调零方法存在以下缺陷：
调零过程繁琐复杂，需要经验丰富的技术人员，通过观察伺服电角度监视项，慢慢微调，耗费时间较长；
同时，一般伺服厂家都会指定自己的伺服电机品牌，而伺服电机编码器偏移角都是伺服电机厂家提供的，因此每个伺服电机厂家安装编码器时偏移角可能不一致。当伺服厂家驱动不同品牌的伺服电机时，安装编码器时偏移角是未知的。而在设置伺服参数时，如果关于编码器安装偏移角设置不正确，会导致FOC算法的电角度误差较大而使d轴和q轴解耦失败，带来诸如电机出力不足、正反转转速失衡、电机发热量大等问题，严重影响伺服性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述编码器调零复杂，且编码器安装时偏移角未知的问题，提供一种伺服电机编码器偏移角度自动学习方法及系统。
本发明解决其技术问题的技术方案为：
本发明提供了一种伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，该自动学习方法包括以下步骤：
A.使输入到伺服电机的电流的电角度θe从0°开始以第一固定时间为间隔依次递增，并实时检测编码器的Z信号是否出现，所述电角度θe每次的递增量Δθe＝90°；
B.在所述Z信号出现时根据编码器的输出信号判断电机转速，并在所述电机转速在设定转速以下时延迟第二固定时间后将定子磁场定向至30°，然后执行步骤C；
C.延迟第三固定时间后，获取当前输入到伺服电机的电流的电角度值，并根据所述当前的电角度值计算获得Z信号偏移角度值。
上述伺服电机编码器偏移角度自动学习方法中，在所述步骤C中，所述Z信号偏移角度值通过以下计算式计算获得：Zoffset＝360+30-θenow+Zoffset0，其中，Zoffset为所述Z信号偏移角度值，θenow为磁场定在30°且延迟第三固定时间后输入到伺服电机的电流的电角度值；Zoffset0为Z信号偏移角的初始值。
上述伺服电机编码器偏移角度自动学习方法中，所述步骤C还包括，将所述偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理。
上述伺服电机编码器偏移角度自动学习方法中，所述第一固定时间、第二固定时间、第三固定时间均为1秒。
本发明还提供了一种伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，包括IPARK模块、SVPWM模块、PMSM和编码器，其特征在于，该自动学习系统还包括电角度给定模块、Z信号判断模块、偏移角补偿模块，其中，所述电角度给定模块用于设置电角度θe，伺服电机以90°的步进角度朝一个方向旋转，并使定子磁场定向在30°；IPARK模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，SVPWM模块的输出端与PMSM连接，PMSM还与编码器连接，所述Z信号判断模块与所述编码器连接，用于检测所述编码器的Z信号是否出现；所述偏移角补偿模块分别与所述电角度给定模块和所述Z信号判断模块连接，用于读取当前输入到伺服电机的电流的电角度值，根据所述当前的电角度值计算获得Z信号偏移角度值。
上述伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，还包括，电压给定模块和延迟模块，其中，所述电压给定模块与所述IPARK模块连接，用于设置d轴参考相电压值；所述延迟模块分别与所述电角度给定模块和所述IPARK模块连接，用于设置第一固定时间、第二固定时间、第三固定时间，便于系统操作。
上述伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，所述偏移角补偿模块将所述偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理。
本发明的伺服电机编码器偏移角度自动学习方法及系统，通过引入电角度给定模块和Z信号判断模块，可在编码器安装偏移角未知的情况下自动完成编码器偏移角辨识功能，即编码器调零，具有操作简单、辨识结果精度高、时间短、适用性强等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的伺服电机编码器安装偏移角自动学习系统的结构图。
图2是本发明实施例的伺服电机编码器安装偏移角自动学习方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例的伺服电机编码器安装偏移角自动学习系统的结构图。
在本实施例中，基于交流永磁同步电机的V/F控制理论，本实施例中的伺服电机编码器安装偏移角自动学习系统包括电角度给定模块1、延时模块2、电压给定模块3、IPARK模块4、SVPWM模块5，Z信号判断模块6，偏移角补偿模块7、编码器8和PMSM 9，其中，IPARK模块4的输出端与SVPWM模块5的输入端连接，SVPWM模块5的输出端与PMSM9连接，PMSM9还与编码器8连接，Z信号判断模块6与编码器8连接，偏移角补偿模块7分别与电角度给定模块1和Z信号判断模块6连接，电角度给定模块1与延时模块2连接，用于向电机输出驱动电流，通过该驱动电流可设置定子磁场定向控制的电角度；Z信号判断模块6用于检测编码器的Z信号输出，其可以采用逻辑电路来实现，或者其他检测电路；电压给定模块3用于设置UdRef变量，UdRef变量为d轴参考相电压值；偏移角补偿模块7用于读取当前电角度值，比较该当前电角度值与30°得到偏移角度值，并把该自动学习的偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理，IPARK模块4和SVPWM模块5均是现有技术，这里就不再赘述。
上述电角度给定模块1、延时模块2、电压给定模块3、IPARK模块4、SVPWM模块5，Z信号判断模块6，偏移角补偿模块7可由硬件、软件或其结合构成。
下面详细介绍伺服偏移角自动学习的过程：
伺服驱动器内部使能，电机励磁，控制电机运行，比如伺服驱动器开环(位置、速度开环)控制电机运行；设置UqRef变量为0，即图1中的Uq*，电压给定模块3将设置UdRef变量为合适值，电角度给定模块1将设置电角度θe从0°开始递增，递增量Δθe为90°，每次递增之前调用延时模块2，使得延时1s，即先使伺服驱动器以一定速度朝一个方向旋转；一旦Z信号判断模块6检测到Z信号出现，控制电机转速，使之小于10rpm，此时，调用延时模块2，使得延时1s；伺服驱动器内部使能，电机励磁；电角度给定模块1设置电角度θe为30°，再调用延时模块2，使得延时1s，读取监控电角度值，并与30°比较得到Z信号偏移角度值，偏移角补偿模块7把该Z信号偏移角度值补偿赋给Z信号电角度功能码，并做限幅处理，即完成了伺服偏移角自动学习。
如图2所示，为本发明实施例的伺服电机编码器安装偏移角自动学习方法的流程图，该方法用于在编码器安装偏移角未知的情况下快速驱动伺服电机。实施该方法包括如下步骤：
S1、伺服上电，控制电机运行，比如伺服驱动器开环(位置、速度开环)控制电机运行；
在该步骤中，还包括，UqRef变量设置为0，电压给定模块3将设置UdRef变量为合适值，其中，UqRef变量为q轴参考相电压值，UdRef变量为d轴参考相电压值；
在本实施例中，UdRef变量设置为4000，UqRef变量和UdRef变量经过IPARK模块4，输出UαRef变量和UβRef变量，即α轴参考相电压值和β轴参考相电压值，即图1中的Uα*和Uβ*，再经过SVPWM模块5，输出三相电压值Ua、Ub、Uc，此三相电压值输入至PMSM 9，使PMSM 9运行，从而控制编码器8，其中IPARK模块4和SVPWM模块5均是现有技术，这里就不再赘述。
S2、电角度给定模块1将设置输入到伺服电机的电流的电角度θe从0°开始递增，且递增量Δθe设置为90°，即Δθe＝90°；
在该步骤中，电角度θe是编码器零点与U相中心轴线之间的夹角的电角度，伺服电机以90°的步进角度朝一个方向旋转。
S3、调用延时模块2，延时第一固定时间，用于使逆PARK变换延迟1s，便于下一步骤的执行而不影响整个系统；
在该步骤中，第一固定时间为1s。
S4、Z信号判断模块6检测编码器的Z信号是否出现；
在该步骤中，Z信号判断模块6可以采用逻辑电路来实现，或者其他检测电路；若Z信号判断模块6检测到Z信号的出现，则进行下一步骤的执行；若Z信号判断模块6未检测到Z信号的出现，则执行步骤S2。
可以理解，执行步骤S2至步骤S4，即电角度θe每增加90°，延迟1s，检测Z信号是否出现，完成伺服电机以90°的步进角度朝一个方向旋转，直到Z信号判断模块6检测到Z信号出现。
S5、Z信号判断模块6检测编码器的Z信号后，根据编码器的输出信号监控电机转速|PmsmSpd|，比较电机转速|PmsmSpd|与10rpm的大小；
若电机转速|PmsmSpd|<10rpm，即认为电机零速，则执行下一步骤；若电机转速|PmsmSpd|>10rpm，则伺服断电，使电机不使能。
S6、调用延时模块2，延时第二固定时间，便于下一步骤的执行而不影响整个系统；
在该步骤中，第二固定时间为1s。
S7、电角度给定模块1设置电角度θe为30°，即θe＝30°；
在该步骤中，定子磁场定向在30°的电角度。
S8、调用延时模块2，延时第三固定时间，便于下一步骤的执行而不影响整个系统；
在该步骤中，第三固定时间为1s。
S9、偏移角补偿模块7读取当前输入到伺服电机的电流的电角度值，并与30°比较得到Z信号偏移角度值；
在该步骤中，Z信号偏移角度值按公式(1)计算，如下：
Zoffset＝360+30-θenow+Zoffset0 (1)
在公式(1)中，Zoffset为Z信号偏移角度值；θenow为磁场定在30°时，当前输入到伺服电机的电流的电角度值；Zoffset0为Z信号偏移角的初始值。
S10、偏移角补偿模块7将得到的偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理；
S11、初始化编码器8；
S12、伺服断电，恢复控制模式，使电机不使能。
本发明可以使伺服厂家在不知道编码器安装偏移角的情况下，通过伺服偏移角自动学习功能自动完成编码器偏移角辨识功能，具有操作简单、辨识结果精度高、时间短等优点，即使伺服电机厂家任意安装编码器，本发明也能准确辨识，可以使伺服驱动器快速驱动不同厂家的伺服电机，具有很强的适用性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，其特征在于：该自动学习方法包括以下步骤：
A.使输入到伺服电机的电流的电角度θe从0°开始以第一固定时间为间隔依次递增，并实时检测编码器的Z信号是否出现，所述电角度θe每次的递增量Δθe＝90°；
B.在所述Z信号出现时根据编码器的输出信号判断电机转速，并在所述电机转速在设定转速以下时延迟第二固定时间后将定子磁场定向至30°，然后执行步骤C；
C.延迟第三固定时间后，获取当前输入到伺服电机的电流的电角度值，并根据所述当前的电角度值计算获得Z信号偏移角度值。
2.根据权利要求1所述的伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，其特征在于，在所述步骤C中，所述Z信号偏移角度值通过以下计算式计算获得：Zoffset＝360+30-θenow+Zoffset0，其中，Zoffset为所述Z信号偏移角度值，θenow为磁场定在30°且延迟第三固定时间后输入到伺服电机的电流的电角度值；Zoffset0为Z信号偏移角的初始值。
3.根据权利要求1所述的伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，其特征在于，所述步骤C还包括：将所述偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理。
4.根据权利要求1所述的伺服电机编码器偏移角度自动学习方法，其特征在于，所述第一固定时间、第二固定时间、第三固定时间均为1秒。
5.一种伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，包括IPARK模块、SVPWM模块、PMSM和编码器，其特征在于，该自动学习系统还包括电角度给定模块、Z信号判断模块、偏移角补偿模块，其中，所述电角度给定模块用于设置电角度θe，伺服电机以90°的步进角度朝一个方向旋转，并使定子磁场定向在30°；IPARK模块的输出端与SVPWM模块的输入端连接，SVPWM模块的输出端与PMSM连接，PMSM还与编码器连接，所述Z信号判断模块与所述编码器连接，用于检测所述编码器的Z信号是否出现；所述偏移角补偿模块分别与所述电角度给定模块和所述Z信号判断模块连接，用于读取当前输入到伺服电机的电流的电角度值，根据所述当前的电角度值计算获得Z信号偏移角度值。
6.根据权利要求5所述的伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，其特征在于，还包括，电压给定模块和延迟模块，其中，所述电压给定模块与所述IPARK模块连接，用于设置d轴参考相电压值；所述延迟模块分别与所述电角度给定模块和所述IPARK模块连接，用于设置第一固定时间、第二固定时间、第三固定时间，便于系统操作。
7.根据权利要求5所述的伺服电机编码器偏移角度自动学习系统，其特征在于，所述偏移角补偿模块将所述偏移角度值附加至Z信号电角度功能码，并做限幅处理。
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