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    伺服電機的回零

      作者:艾普智能點擊:21630發布時間:2020-05-12 17:16:13

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    青島艾普智能儀器有限公司專注全球電機測試,提供一站式電機測試解決方案,其中就包括伺服電機的測試。今天艾普小篇為大家分享的是關于伺服電機回零的知識。

    伺服電機是數字化執行元件,具有精度高、穩定性好、快速響應等優點,在工業中得到廣泛應用。

    位置控制的伺服電機,需在電機運行的位置空間,確定一個參考點,以此參考點確定伺服電機的實時位置。此參考點稱為零點,確定此參考點的過程稱為回零。本文主要介紹旋轉交流伺服電機的回零問題。

    伺服機械機構簡介

    伺服驅動常見的機械機構有如下幾種形式。有的是回轉運動機構,有的是把伺服電機的回轉運動轉化成直線運動的機構。

    圖1:常見機械機構

    01.jpg

    一般的機械機構會有限位開關、零點開關等信號,以典型滾軸絲杠機構為例,其絲杠行程上有左右限位開關,并有一個原點檢測開關如圖2所示。

    圖2:帶開關的絲杠模組

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    在控制器側會把位置單位從脈沖換算成容易理解的單位,如度、毫米、英寸等。機械安裝時,伺服電機自身編碼器的讀數是隨機的,機械機構運行之前,需要在機械運行行程內確定零點。

    在講回零之前,先簡單了解一下常見的伺服電機編碼器。

    常見的伺服電機編碼器

    伺服電機編碼器按編碼方式,主要分為增量型和絕對值型。見圖3:

    圖3:增量和絕對值編碼器碼盤

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    增量型:增量型編碼器碼盤,每旋轉一圈都會有一個Indexmark,即經常提及的Z相脈沖,或索引脈沖。增量式編碼器通過A、B相的相位關系判斷旋轉方向,通過A、B相的脈沖數計算行走距離,通過脈沖頻率計算運動速度。用索引脈沖計算圈數。此索引脈沖可用于精確尋零。
           絕對值型:絕對值編碼器,每個細分角度,其讀數都是一個獨一無二的格雷碼值。即:每個細分角度都有一個唯一對應的絕對位置。每圈有且只有一個細分角度的讀數為0000…(0的個數取決于編碼器的分辨率)。有的品牌的伺服驅動器,可以用這個零讀數視為索引脈沖,完成回零。
           絕對值型編碼器有單圈和多圈之分,單圈編碼器只能記住一圈內的絕對位置,多圈編碼器還可記住圈數。
           伺服電機的反饋裝置除了編碼器,還可以有其他形式,比如旋轉變壓器等。旋轉變壓器在每圈也可生成一個模擬的索引脈沖。

    伺服電機的回零要求

    增量編碼器:每次上電時,編碼器計數都被清零,因此,每次上電后都要回零。
           單圈絕對值編碼器:若機械行程較短,伺服電機的轉動范圍在一圈以內,則不需要每次上電都回零,但機械首次運行時,要回零一次,以確定機械零點。如轉動范圍超過一圈,則每次上電都要回零。
           多圈絕對值編碼器:多圈絕對值編碼器不需要每次上電都回零,在對應的驅動器內部或編碼器線上有電池,用于保存編碼器的絕對位置值。但機械首次投入運行時,需要回零一次,以確定機械零點。
           回零原理介紹
           有4種信號可作為回零信號:正/負限位開關、零位開關和編碼器的索引脈沖。
           圖4:滾軸絲杠示意圖

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    如上圖所示,左/右超限開關或近原點輸入,就是機械行程中的幾個”錨”,可在任何一個“錨”附近確定一個位置作為零點。一般可選擇近原點輸入。如沒安裝近原點輸入開關,也可用左右超限開關作為“錨“點。
           左/右限位開關和零位開關,都要接到對應的伺服驅動器上,不要接到上位控制器側。
           通過幾個“錨”與索引脈沖結合,可實現多種形式的精確回零。
           具體的回零方式有很多,下面以近原點輸入和索引脈沖結合回零的一種方式,解釋回零過程。
           圖5:下降沿索引脈沖確定零點

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    回零前,要預先設定一個回零方向,如上圖,從右向左回零。

    1.電機從起點開始以目標速度(尋零速度)向左運行尋找近原點輸入信號。檢測到近原點輸入的上升沿后開始減速。起始點距離近原點輸入之間的距離可能比較長,所以目標速度要設的稍大。由于目標速度較大,電機降速或停止時,過沖距離是比較大的。
           2.檢測到近原點輸入后,伺服電機降速到蠕變速度后繼續前行,直至檢測到“近原點輸入”的下降沿。蠕變速度比目標速度小,過沖距離也較小。
           3.在檢測到近原點輸入的下降沿后,降速到零,然后以爬行速度尋找伺服電機編碼器的索引脈沖。這種情況,電機停在索引脈沖上,完成回零。
           以上回零過程可以概括為:在近原點輸入信號的下降沿尋找索引脈沖并確定零點。
           與之對應回零方式:在近原點輸入信號的上升沿尋找索引脈沖(Z相脈沖)確定零點。如圖6所示
           圖6:上升沿索引脈沖確定零點

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    向左高速找到近原點輸入上升沿后降速并反向運行直至近原點輸入OFF,然后向左以蠕變速度再次尋找近原點輸入的上升沿,而后降速并以爬行速度尋找第一個索引脈沖(Z相脈沖)作為零點。
           在以上介紹的兩種回零情況下,回零都分三個階段,三個階段運行速度越來越低,電機過沖越來越小,停車精度越來越高。
           還有其他幾種可能。比如電機啟動時近原點輸入信號為ON、限位(-)輸入信號為ON或起點在近原點輸入和限位(-)輸入信號之間等。針對各種不同的情況,伺服電機會執行不同的運動,但最終都能找到對應的索引脈沖。
       ■ 對回零精度要求不高的,可以只執行上述的第一步即認為回零完成。
       ■ 對回零精度要求稍高的,可以執行完第二步,即認為回零完成。
       ■ 對精度要求很高的場合,可執行完3步。以索引脈沖位置確定零點。
       還有其他類型的回零方式,如:
        1.直接尋找索引脈沖,找到索引脈沖后立即停止,以此點作為零點。
        2.以機械擋塊作為限位開關。當把機械擋塊作為“錨“點時,把伺服電機的扭矩值作為”錨“點是否找到的判據。
        3.電機不執行動作,直接把電機的當前值設為零點。
        總之,大部分回零過程主要包含如下部分或全部動作過程。
        1.確定回零方向。
        2.從起始位置沿回零方向高速尋找“錨“點。
        3.中速檢測“錨“點的上升或下降沿。
       4. 在“錨“點上升沿或下降沿的左側或右側低速尋找索引脈沖(或其他類型零點信號)。
           CANopen over EtherCAT(CoE) 伺服軸回零

    伺服電機都要由伺服驅動器驅動。現在,很多伺服驅動器支持EtherCAT通訊,其在應用層實現了CANopen Drive Profile (CiA402)。伺服驅動器由支持EtherCAT的控制器,如PLC,IPC等的控制。這種情況下,伺服電機的回零需要在控制器內實現。CiA402支持的回零方法DS402 homing,總共定義了37種回零方式,不同廠家的控制器或驅動器產品,可支持不同的回零方式。
    圖7: DS402 Homing支持的回零方式

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    控制器與驅動器之間通過PDO和SDO進行數據交互。具體各PDO、SDO映射可參考EtherCAT的對象字典。
           伺服電機回零需要的參數,如控制字、各種回零速度、加速度、減速度、回零方式、回零方向等參數都在控制器側設置,并傳給伺服驅動器。
           狀態字、限位開關、回零開關、實時位置、回零狀態等參數都由驅動器傳給控制器。在驅動器側要定義各輸入點的功能,如限位開關,回零開關等。數字IO都通過PDO: 0x60FD傳給控制器。一般0x60FD的16至23位對應伺服驅動器的各DI輸入點。
           控制器方的工程軟件中,會提供回零參數設置功能及回零功能塊,可對相關參數進行設置及編程。圖8為某廠家的參數設置畫面及功能塊:
           圖8:回零參數設置及功能塊

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    參數設置完成,EtherCAT通訊網絡啟動后,在控制器側激活Home的功能塊,在驅動器側即可啟動并完成回零過程。
           索引脈沖的映射問題
           在DS 402的對象字典中,是沒有索引脈沖的映射的。回零時,尋找索引脈沖的第三步,是在驅動器內部執行的,在尋找索引脈沖期間,無法通過上位控制器控制伺服驅動器。找到索引脈沖回零完成后,驅動器通過狀態字PDO:0x6041告知控制器回零完成。因此,索引脈沖只在驅動器內起作用,不需要映射回上位控制器。
           很多廠家的伺服驅動器和控制器產品都支持EtherCAT和CoE,各家支持的回零方式可能不一樣,需要映射的PDO或SDO也可能有些差別,要依據各家產品的技術說明進行相應設置。

    總結

    伺服電機運行前要先確定零點,伺服電機的位置坐標基于零點建立。
           增量型編碼器每次上電需要回零,絕對值編碼器視具體情況確定是否需要回零。但機械在首次投入使用時要執行一次回零,以確定機械原點。
           回零過程即在某一個“錨”點附近,找到一個可重復的位置點作為零點。
           爬行速度尋找索引脈沖過程在驅動器內實現,索引脈沖無需映射到控制器側。
           有很多種回零方式,可根據具體產品所支持的回零方式、機械機構提供的IO信號、具體應用要求等,靈活確定回零方式。

                                                                                                                                     (注:本文摘自網絡,如有侵權,請聯系本人刪除。
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