e6旋转变压器及正余弦编码器零点校准系统.pdf

e6旋转变压器及正余弦编码器零点校准系统.pdf

《e6旋转变压器及正余弦编码器零点校准系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《e6旋转变压器及正余弦编码器零点校准系统.pdf（63页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

分类号学号M200970310学校代码10487密级硕士学位论文硕士学位论文伺服伺服电机电机旋转变压器旋转变压器及及正余弦编码器正余弦编码器零点零点校准校准系统系统学位申请人：

肖毅学科专业：

机械电子工程指导教师：

艾武教授答辩日期：

2012年1月5日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonServoMotorResolverandSin/CosEncoderZeroPointCalibrationSystemCandidate:

XiaoYiMajor:

MechatronicEngineeringSupervisor:

Prof.AiWuHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJanuary,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：

年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本论文属于（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：

指导教师签名：

日期：

年月日日期：

年月日保密，在年解密后适用本授权书。

不保密。

华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文I摘摘要要在现代制造系统中，永磁同步伺服电机的应用十分广泛。

它不仅是动力环节，其配备的编码器是电机转子的位置和转速的检测装置，对于伺服系统的闭环控制至关重要。

永磁同步伺服电机生产过程中重要的一环是编码器零点的校准，目的是使永磁体磁极位置和编码器零点位置调整到一定的相对位置关系并固定、记录下来，在电机出厂时提供给对应的伺服驱动器厂商，使得伺服驱动器在控制电机运转的时候知道转子转轴的零点位置。

因此，零点校准对于永磁同步伺服电机的制造、装配、控制都是十分重要的。

由于编码器种类繁多，需要使用各种不同接口的驱动器来对不同的编码器实施零点定位和校准，十分费时费力。

为解决这一问题，本文基于伺服电机控制和驱动的原理，设计了一种同时适用于旋转变压器和正余弦编码器的专用伺服驱动器。

本系统的硬件部分主要由控制板和功率驱动板组成。

其中，控制板基于DSP设计，主要用来处理编码器信号和电机控制算法，以及其他控制程序；功率驱动板基于整流电路和逆变电路设计，根据变压变频的基本原理驱动电机按要求转动和锁定。

系统软件部分主要基于状态机架构，各种工作状态之间可以灵活的转移和切换；友好的人机界面程序对系统状态实时监控，也允许用户修改和存储各种参数。

最后，经过系统调试，达到了用户的技术指标要求。

总的来说，本文设计的零点校准系统是一个专用的伺服电机驱动器，能够实现旋转变压器和正余弦编码器的自动零点找寻和校准，具有校准精度高、操作方便等优点，对于提高电机制造企业的总体生产效率有比较重要的实际意义。

关键词关键词：

伺服控制旋转变压器正余弦编码器编码器调零华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文IIAbstractInmodernmanufacturingsystem,thePermanentMagnetSynchronousMotor（PMSM）iswidelyused.PMSMisnotonlythedrivingcomponentbutalsoprovidespositionandvelocityinformationbyitsencoder,whichisveryimportantforclose-loopcontrolofservosystem.IntheproductionprocessofPMSM,itisaveryimportantproceduretopositionandcalibratethezeropointofencoders.Thepurposeistomatchandrecordthecertainpositionrelationshipbetweenrotorsmagneticpoleandencoderszeropoint.Thispositioninformationwillbeprovidedtotheservodrivermanufacturer,whichenablestheservodrivertoknowtheinitialpositionoftherotorsoastosmoothlycontrolmotormotion.Therefore,zeropointpositioningandcalibrationhavesignificantmeaningforthemanufacturing,assembly,andcontrolprocessesofPMSM.ThezeropointcalibrationofdifferentPMSMequippedwithdifferentencodersneeddifferentservodrivers,anditisalsoverytimeandenergyconsuming.Tosolvethisproblem,thisthesisdevelopedaspecificservodriverbasedonservocontrolanddriveprinciples,whichisapplicabletoPMSMequippedwithresolversandsin/cosencoders.Thesystemshardwaremainlyincludesdigitalcontrollerandpowerdriverboard.ThecontrolboardbasedonDSPisdesignedtodealwithencodersignalsandmotorcontrolalgorithm,andothercontrolprograms.Thepowerdriverboardisdevelopedbasedonrectifierandinvertercircuits,whichdrivemotorstorotateaccordingtothebasicprincipleofvariousvoltagevariousfrequency.Thesystemssoftwareisbasedonstatemachines,whichmeanstheshiftbetweenseveraldifferentstatescanbeeasilycontrolled.Additionally,theuserfriendlyhuman-machineinterfacecannotonlymonitorthereal-timeconditionofwholesystembutalsoallowsusertochangeandsaveallkindsofparameters.Finally,throughthesystemdebug,ourdesignsatisfiedtheuserstechnicalrequirements.Insummary,thezeropointpositioningandcalibrationsysteminthisthesisisaspecificservomotordriverwhichcanautomaticallypositionthezeropointofresolverandsin/cosencoder.Ithastheadvantagesofhighcalibrationaccuracyandeasyoperation.Therefore,thisinstrumenthasimportantpracticalmeaningforimprovingtheoverallproductivityofPMSMmanufactures.Keywords:

ServoControl,Resolver,Sin/CosEncoder,EncoderZeroPointCalibration华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文III目目录录摘要.IAbstract.II1绪论1.1课题来源.

（1）1.2课题研究的背景、目的和意义.

（1）1.3论文主要内容及组织结构.

（2）2调零系统总体设计2.1旋转变压器和正余弦编码器简介.（4）2.2零点校准方法与系统工作流程.（6）2.3调零系统总体设计.（10）2.4本章小结.（11）3调零系统硬件设计3.1控制电路设计.（12）3.2驱动电路设计.（19）3.3交流电源的电气控制回路设计.（29）3.4本章小结.（30）4调零系统软件设计4.1概述.（32）4.2电机控制程序设计.（32）4.3调零系统的状态机结构.（35）4.4本章小结.（37）5实验5.1系统实验平台介绍.（39）华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文IV5.2实验与测试.（39）6全文总结与展望6.1全文总结.（49）6.2研究展望.（49）致谢.（51）参考文献.（52）附录攻读硕士学位期间发表论文.（56）华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文11绪论绪论1.1课题来源课题来源数字制造装备与技术国家重点实验室与武汉华大新型电机科技股份有限公司合作研发项目。

本文依托于“伺服电机编码器调零仪II型-旋转变压器与正余弦编码器”的研发。

1.2课题研究的课题研究的背景背景、目的和意义、目的和意义1.2.1伺服电机简介在现代制造系统中，永磁同步伺服电机的应用十分广泛。

永磁同步电机是使用稀土永磁体作为转子磁极的一种新型交流电机，其定子三相绕组产生的旋转磁场与转子转速是同步的，因此被称为永磁同步电机。

它有着体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子发热小，过载能力比较大，转动惯量很小和转矩脉较小等特殊优点1-4。

与传统的电磁式同步电机相比，永磁同步电机无需转子电流励磁，也就不需要设置电刷和滑环3，没有电刷和滑环带来的机械磨损以及电火花等问题，机械结构简单，使用方便，寿命持久，可靠性也比较高46。

同时永磁同步电机的效率比电磁式同步电机要高，其功率因数可设计在1.0附近5，十分可观。

另外，与鼠笼式异步交流电机相比，永磁同步电机的主要有高效节能，功率密度高（体积小、重量轻），转速与频率严格成正比等突出优点67。

正是基于上述优点，在现代制造系统，尤其是伺服系统中，永磁同步交流电机有着举足轻重的地位8-10。

1.2.2伺服电机控制系统简介伺服系统根据动力环节的不同，可分为直流伺服系统和交流伺服系统。

这里主要介绍采用永磁同步电机作为动力机构的交流伺服控制系统。

从上世纪七八十年代开始，由于矢量控制、直接转矩控制等先进的电机控制技术的出现89，加上现代电力电子元器件的成熟以及微处理器技术的迅猛发展，永磁同步交流电机的控制已经不像以往那样复杂和困难。

交流伺服系统以其更高的精度、更快的速度、更低的成本等优势逐渐替代了结构复杂、维护困难的直流伺服系统，并且正在快速地向全数字化、智能化的方向发展华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文21112，因此交流电机伺服控制系统在现代制造业和其他工业、军用领域中得到了广泛的应用。

1.2.3伺服电机编码器调零简介在现代伺服系统中，永磁同步电机不仅仅是动力环节，其自带的编码器作为电机转子的位置和转速的检测装置，对于伺服系统的闭环控制也是至关重要的一个环节11-13。

加装了各种编码器的永磁同步电机称为永磁同步伺服电机（本文中，以下简称伺服电机）。

在伺服电机生产和装配过程中，很重要的一个环节就是将伺服电机的永磁体磁极位置和编码器零点位置调整到一定的相对关系并固定、记录下来（注意：

磁极位置和编码器零点位置不一定重合，各个厂商的要求不一样），这个过程称为伺服电机编码器的“找零”，或者“零点校准”过程。

被记录下来的零点位置会在电机出厂的时候提供给对应的伺服驱动器厂商，使得伺服驱动器在控制电机启动、运转的时候知道转子转轴的位置（主要是零点位置和当前位置）。

尤其是在比较常用的永磁同步伺服电机矢量控制中，为了达到“d轴励磁分量和q轴转矩分量的完全解耦”14151718，令永磁交流伺服电机定子绕组产生的旋转磁场始终正交于转子永磁体的磁场从而获得最佳的驱动效果（即类似于直流特性，这种控制方法也被称为磁场定向控制FOC）11-13。

为了实现FOC，必须知道电机永磁体磁极位置与编码器零点位置的固定关系。

因此，零点调试对于永磁同步伺服电机的制造、装配、控制都是十分重要的。

然而，由于电机编码器种类繁多，同一个电机生产厂家为了给不同型号的伺服电机装配不同的伺服电机编码器，往往需要使用带有各种不同接口的驱动器进行零点找寻和校准，十分费时费力，而且影响相应编码器零点校准精度的一致性。

于是有必要针对多种常见编码器设计一种伺服驱动器，可对不同的编码器进行调零，这样能够提高编码器零点校准统一精度，简化调零过程，减少人为误差。

因此，本研究具有重要的实际意义。

1.3论文论文主要内容主要内容及及组织组织结构结构本论文设计了一种编码器调零系统，能够对旋转变压器和正余弦编码器进行调零，具有一定通用性。

（项目的另外一种编码器调零系统专门针对普通增量式编码器和绝对式编码器，不在本文讨论范围内）。

本文的主要内容及组织结构如下华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文3

（1）第一章介绍了课题研究的背景，目的和实际意义。

简述了伺服电机、交流伺服控制系统以及编码器在伺服系统中的重要地位，并对编码器进行调零的重要意义。

（2）第二章论述零点校准系统的总体设计。

简介了旋转变压器和正余弦编码器的各自特点。

给出了系统总体设计框图。

（3）第三章着重论述系统硬件部分的详细设计。

首先详述了基于DSP和旋变解码芯片的嵌入式数字控制器的设计方案及具体实现。

其次详述了基于三相整流桥和智能功率模块的通用型功率驱动板的电路设计方案。

（4）第四章论述系统软件部分设计。

论述了核心的电机控制算法及数字PID控制器设计方法，规划了系统软件框架（基于状态机的总体软件结构），并且给出了系统工作时详细的状态转移图。

（5）第五章为系统测试与实验分析与小结。

详述了系统软硬件调试的方法和具体执行过程中遇到的实际问题及解决方案，并最后进行整机测试，也对得到的试验和实际工况运行结果进行了分析。

（6）第六章为全文总结和展望。

总结了本文的主要内容及本人在完成论文期间的心得体会，同时并对本系统将来的进一步发展和完善做出展望华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文42调零系统总体设计调零系统总体设计2.1旋转变压器和正余弦编码器旋转变压器和正余弦编码器简介简介本零点校准系统的对象是编码器，最常见的编码器有普通增量式编码器、绝对式编码器（按总线协议不同又分为多种）、旋转变压器、正余弦编码器等等。

其中，本文重点介绍的旋转变压器和正余弦编码器。

二者的工作原理分别描述如下。

2.1.1旋转变压器旋转变压器（Resolver）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。

从结构上讲，旋转变压器实质上是一种测量角度用的小型交流电机，由定子和转子组成。

一般旋转变压器的原边绕组接受外部输入的励磁信号，励磁频率一般频率较高（通常为几千赫兹，也称为载波），旋转变压器的副边绕组通过电磁耦合得到感应电压28，该电压与转子的机械转角有一定函数关系。

图2.1是旋转变压器的实物图。

图2.1旋转变压器实物图本文使用的是常见的正-余弦调制式旋转变压器，一个原边绕组随电机转轴转动，有两个固定的副边绕组相互正交（电角度相差90），并以正弦/余弦的方式对定子励磁信号（载波）调制。

其工作原理示意图、信号图以及信号关系如图2.2所示。

华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文500031sinsin24sincos=SSEtSSEttE转子角位置原边激励信号的频率原边激励信号的幅值图2.2旋转变压器工作原理示意图及输出信号45旋转变压器用途广泛，在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角信号；在解算装置中可作为函数的解算之用，故也称为解算器29。

旋转变压器输出的是模拟信号，抗干扰能力强，信号传输能力好，常用在充满油污、振动等工作环境恶劣的地方（如汽车动力系统中），并且工作寿命长，能够达到很高的旋转速度但不产生大的电子噪声和机械噪声，制造成本也很低，这些都是显著的优点30。

其不足之处是细分精度有限，往往难以达到普通增量式编码器的高精度。

2.1.2正余弦编码器正余弦编码器的原理与普通光电编码器差不多，编码器每转一圈也会重复输出许多信号周期和一个Z信号（零点信号），周期的个数也与码盘上的刻线数量有关，刻线越多越密集，精度越高。

不同的是，正余弦编码器输出的是正交的正弦/余弦信号33，而不是增量式编码器的正交方波信号。

正余弦编码器的实物以及输出的信号如图2.3所示。

华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文6图2.3（a）正余弦编码器实物图图2.3（b）正余弦编码器输出信号值得一提的是，与增量式编码器相比，正余弦式编码器往往不必将刻线做得很密（即每圈的正弦波数量并不需要很多），就能达到较高的精度。

这是因为可以采用电子细分技术，对每一个正弦波单个周期进行细分34。

通过sin、cos信号的高倍率细分技术可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的名义检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的名义检测分辨率。

理论上讲进度是可以无限提高的（当然要考虑可接受的细分误差）35。

因此，正余弦编码器不需采用高频率的通讯即可让伺服驱动器获得高精度的细分，这样，在同等精度指标下，降低了硬件要求和成本；同时由于有单圈角度信号，可以让伺服电机启动平稳，启动力矩大37。

当前很多欧美伺服厂家都提供这类高分辨率的伺服系统，而国内厂家尚不多见。

2.2零点校准零点校准方法方法与系统工作流程与系统工作流程尽管本文设计的调零系统主要针对旋转变压器和正余弦编码器，但它们的输出信号都不是直接的方波脉冲形式，为了使所有的编码器调零系统都可以使用如下的调零方法和工作流程，也为了使多种编码器的调零流程规范化，本流程按照普通增量式编码器的零点校准流程拟定：

均采用脉冲个数作为角度计量的统一标准。

因此旋转变压器和正余弦编码器应按照其细分精度，把位置信号转化为等效的脉冲个数。

特别应该指出的是，对于旋转变压器，没有每圈一个的Z信号输出，因此以副边sin绕组信号包络线幅值为0的角位置做为旋转变压器的零点；正余弦编码器的零点信号和普通增量式编码器一样，华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文7就以Z信号为基准。

1、要求要求伺服电机在安装编码器时需要将编码器Z信号确定在规定的磁场中轴线上的某个角度上（注意，不一定与磁场中轴线重合，是一个厂家规定的固定的角度）。

2、编码器调零流程、编码器调零流程：

（1）调零装置接伺服电机动力线及编码器线。

（2）编码器信号进入调零装置后四倍频（后述的A或B信号，均指已4倍频的信号）。

调零装置开始工作时，读入相关参数值（参数值后述），然后按以下图2.4所示锁定伺服电机。

锁定电流必须是从伺服电机的U相流入，V、W相流出，其中IU=IV+IWWIuVIv=0.5IuIv=0.5IuU图2.4电机相电流示意图（3）锁定电流输出后，读编码器A或B信号无变化，表示伺服电机基本锁定，延时一到两秒，稳定状态。

锁定状态时间结束后，调零装置控制伺服电机以逆时针方向运行，运行速度为200rpm左右，并在开始运行时即读取编码器的A或B信号，并做好记录和运算。

（4）在运行过程中，当调零装置读到编码器Z信号时，即可停止伺服电机的运转，并保持此位置（此即为第二次锁定）。

此时记录下的A或B值，即为锁定状态（永磁体磁场中轴线）到Z信号的偏差角度。

按工艺要求，此应小于某一数值。

例如，对于普通增量式2500线编码器，则应小于A或B脉冲个数30个之内（此处只是举例说明，华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文8其他厂家的要求不同，可根据用户需求自行设置参数）。

对于本系统所处理的旋转变压器和正余弦编码器，需要将细分之后的A、B信号转化为等效的脉冲个数，仍然按此指标设计和执行。

锁定点停止点ZCCW图2.5电机锁定和旋转示意图（5）将记录的A或B信号按式（2.1）和式（2.2）所描简化处理显示：

N4编码器线数模数电机极对数（2.1）编码器线数最小显示单位360（2.2）简化处理后的A或者B显示值为：

ABN（或信号个数模数的整倍数）最小显示单位（2.3）例如：

A或B信号记录数是3258个，编码器线数为2500C/T，电机极对数为4对极，则：

N=2500，最小显示单位=0.144，简化处理后的A或B显示值=（3258-2500）0.144=109.152（电角度）。

操作人员调整编码器光栅盘，使显示值4.32（电角度，30个A或B个脉冲数）即完成调零。

所以，调零装置的本质是测量零偏值，即测量和显示锁定点到Z信号的偏差值，供操作人员将偏差值调整到工艺要求的误差范围内。

调整完后的Z信号与锁定点之间的角度值，也是电机制造厂家与驱动器制造厂家约定的角度值。

华华中中科科技技大大学学硕硕士士学学位位论论文文93、本设计中的本设计中的零点偏零点偏移值移值：

在上述调零过程中，如果操作人员将测量的Z信号偏差值调整至0值时，Z信号即与锁定点重合。

用U相反电势与Z信号的相位关系图表示如图2.6所示：

ZU图2.6U相反电势与Z信号的相位关系图根据本研究的需要，本文在定义了电机动力引线U、V、W后，如果将Z信号偏差值调整至0值时，也不与锁定点重合，而是有一偏差值。

如果编码器线数为2500线时，四倍频后的偏差值A或