青島艾普智能儀器有限公司專注全球電機(jī)測試，提供一站式電機(jī)測試解決方案，其中就包括伺服電機(jī)的測試。今天艾普小篇為大家分享的是關(guān)于伺服電機(jī)回零的知識。
伺服電機(jī)是數(shù)字化執(zhí)行元件，具有精度高、穩(wěn)定性好、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
位置控制的伺服電機(jī)，需在電機(jī)運(yùn)行的位置空間，確定一個參考點(diǎn)，以此參考點(diǎn)確定伺服電機(jī)的實(shí)時位置。此參考點(diǎn)稱為零點(diǎn)，確定此參考點(diǎn)的過程稱為回零。本文主要介紹旋轉(zhuǎn)交流伺服電機(jī)的回零問題。
伺服機(jī)械機(jī)構(gòu)簡介
伺服驅(qū)動常見的機(jī)械機(jī)構(gòu)有如下幾種形式。有的是回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)，有的是把伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。
圖1：常見機(jī)械機(jī)構(gòu)
一般的機(jī)械機(jī)構(gòu)會有限位開關(guān)、零點(diǎn)開關(guān)等信號，以典型滾軸絲杠機(jī)構(gòu)為例，其絲杠行程上有左右限位開關(guān)，并有一個原點(diǎn)檢測開關(guān)如圖2所示。
圖2：帶開關(guān)的絲杠模組
在控制器側(cè)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(jī)械安裝時，伺服電機(jī)自身編碼器的讀數(shù)是隨機(jī)的，機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行之前，需要在機(jī)械運(yùn)行行程內(nèi)確定零點(diǎn)。
在講回零之前，先簡單了解一下常見的伺服電機(jī)編碼器。
常見的伺服電機(jī)編碼器
伺服電機(jī)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
增量型：增量型編碼器碼盤，每旋轉(zhuǎn)一圈都會有一個Indexmark,即經(jīng)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(guān)系判斷旋轉(zhuǎn)方向，通過A、B相的脈沖數(shù)計(jì)算行走距離，通過脈沖頻率計(jì)算運(yùn)動速度。用索引脈沖計(jì)算圈數(shù)。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(xì)分角度，其讀數(shù)都是一個獨(dú)一無二的格雷碼值。即：每個細(xì)分角度都有一個唯一對應(yīng)的絕對位置。每圈有且只有一個細(xì)分角度的讀數(shù)為0000…(0的個數(shù)取決于編碼器的分辨率)。有的品牌的伺服驅(qū)動器，可以用這個零讀數(shù)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(nèi)的絕對位置，多圈編碼器還可記住圈數(shù)。
伺服電機(jī)的反饋裝置除了編碼器，還可以有其他形式，比如旋轉(zhuǎn)變壓器等。旋轉(zhuǎn)變壓器在每圈也可生成一個模擬的索引脈沖。
伺服電機(jī)的回零要求
增量編碼器：每次上電時，編碼器計(jì)數(shù)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(jī)械行程較短，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動范圍在一圈以內(nèi)，則不需要每次上電都回零，但機(jī)械首次運(yùn)行時，要回零一次，以確定機(jī)械零點(diǎn)。如轉(zhuǎn)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(yīng)的驅(qū)動器內(nèi)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(jī)械首次投入運(yùn)行時，需要回零一次，以確定機(jī)械零點(diǎn)。
回零原理介紹
有4種信號可作為回零信號：正/負(fù)限位開關(guān)、零位開關(guān)和編碼器的索引脈沖。
圖4：滾軸絲杠示意圖
如上圖所示，左/右超限開關(guān)或近原點(diǎn)輸入，就是機(jī)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(diǎn)。一般可選擇近原點(diǎn)輸入。如沒安裝近原點(diǎn)輸入開關(guān)，也可用左右超限開關(guān)作為“錨“點(diǎn)。
左/右限位開關(guān)和零位開關(guān)，都要接到對應(yīng)的伺服驅(qū)動器上，不要接到上位控制器側(cè)。
通過幾個“錨”與索引脈沖結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)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(diǎn)輸入和索引脈沖結(jié)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(diǎn)
回零前，要預(yù)先設(shè)定一個回零方向，如上圖，從右向左回零。
1.電機(jī)從起點(diǎn)開始以目標(biāo)速度（尋零速度）向左運(yùn)行尋找近原點(diǎn)輸入信號。檢測到近原點(diǎn)輸入的上升沿后開始減速。起始點(diǎn)距離近原點(diǎn)輸入之間的距離可能比較長，所以目標(biāo)速度要設(shè)的稍大。由于目標(biāo)速度較大，電機(jī)降速或停止時，過沖距離是比較大的。
2.檢測到近原點(diǎn)輸入后，伺服電機(jī)降速到蠕變速度后繼續(xù)前行，直至檢測到“近原點(diǎn)輸入”的下降沿。蠕變速度比目標(biāo)速度小，過沖距離也較小。
3.在檢測到近原點(diǎn)輸入的下降沿后，降速到零，然后以爬行速度尋找伺服電機(jī)編碼器的索引脈沖。這種情況，電機(jī)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(diǎn)輸入信號的下降沿尋找索引脈沖并確定零點(diǎn)。
與之對應(yīng)回零方式：在近原點(diǎn)輸入信號的上升沿尋找索引脈沖（Z相脈沖）確定零點(diǎn)。如圖6所示
圖6：上升沿索引脈沖確定零點(diǎn)
向左高速找到近原點(diǎn)輸入上升沿后降速并反向運(yùn)行直至近原點(diǎn)輸入OFF，然后向左以蠕變速度再次尋找近原點(diǎn)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(diǎn)。
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(yùn)行速度越來越低，電機(jī)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(jī)啟動時近原點(diǎn)輸入信號為ON、限位（-）輸入信號為ON或起點(diǎn)在近原點(diǎn)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(jī)會執(zhí)行不同的運(yùn)動，但最終都能找到對應(yīng)的索引脈沖。
■ 對回零精度要求不高的，可以只執(zhí)行上述的第一步即認(rèn)為回零完成。
■ 對回零精度要求稍高的，可以執(zhí)行完第二步，即認(rèn)為回零完成。
■ 對精度要求很高的場合，可執(zhí)行完3步。以索引脈沖位置確定零點(diǎn)。
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(diǎn)作為零點(diǎn)。
2.以機(jī)械擋塊作為限位開關(guān)。當(dāng)把機(jī)械擋塊作為“錨“點(diǎn)時，把伺服電機(jī)的扭矩值作為”錨“點(diǎn)是否找到的判據(jù)。
3.電機(jī)不執(zhí)行動作，直接把電機(jī)的當(dāng)前值設(shè)為零點(diǎn)。
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(diǎn)。
3.中速檢測“錨“點(diǎn)的上升或下降沿。
4. 在“錨“點(diǎn)上升沿或下降沿的左側(cè)或右側(cè)低速尋找索引脈沖（或其他類型零點(diǎn)信號）。
CANopen over EtherCAT(CoE) 伺服軸回零
伺服電機(jī)都要由伺服驅(qū)動器驅(qū)動。現(xiàn)在，很多伺服驅(qū)動器支持EtherCAT通訊，其在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了CANopen Drive Profile (CiA402)。伺服驅(qū)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(jī)的回零需要在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。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(qū)動器產(chǎn)品，可支持不同的回零方式。
圖7: DS402 Homing支持的回零方式
控制器與驅(qū)動器之間通過PDO和SDO進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具體各PDO、SDO映射可參考EtherCAT的對象字典。
伺服電機(jī)回零需要的參數(shù)，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(shù)都在控制器側(cè)設(shè)置，并傳給伺服驅(qū)動器。
狀態(tài)字、限位開關(guān)、回零開關(guān)、實(shí)時位置、回零狀態(tài)等參數(shù)都由驅(qū)動器傳給控制器。在驅(qū)動器側(cè)要定義各輸入點(diǎn)的功能，如限位開關(guān)，回零開關(guān)等。數(shù)字IO都通過PDO: 0x60FD傳給控制器。一般0x60FD的16至23位對應(yīng)伺服驅(qū)動器的各DI輸入點(diǎn)。
控制器方的工程軟件中，會提供回零參數(shù)設(shè)置功能及回零功能塊，可對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置及編程。圖8為某廠家的參數(shù)設(shè)置畫面及功能塊：
圖8：回零參數(shù)設(shè)置及功能塊
參數(shù)設(shè)置完成，EtherCAT通訊網(wǎng)絡(luò)啟動后，在控制器側(cè)激活Home的功能塊，在驅(qū)動器側(cè)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(qū)動器內(nèi)部執(zhí)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(qū)動器。找到索引脈沖回零完成后，驅(qū)動器通過狀態(tài)字PDO：0x6041告知控制器回零完成。因此，索引脈沖只在驅(qū)動器內(nèi)起作用，不需要映射回上位控制器。
很多廠家的伺服驅(qū)動器和控制器產(chǎn)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(jù)各家產(chǎn)品的技術(shù)說明進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。
總結(jié)
伺服電機(jī)運(yùn)行前要先確定零點(diǎn)，伺服電機(jī)的位置坐標(biāo)基于零點(diǎn)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(jī)械在首次投入使用時要執(zhí)行一次回零，以確定機(jī)械原點(diǎn)。
回零過程即在某一個“錨”點(diǎn)附近，找到一個可重復(fù)的位置點(diǎn)作為零點(diǎn)。
爬行速度尋找索引脈沖過程在驅(qū)動器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，索引脈沖無需映射到控制器側(cè)。
有很多種回零方式，可根據(jù)具體產(chǎn)品所支持的回零方式、機(jī)械機(jī)構(gòu)提供的IO信號、具體應(yīng)用要求等，靈活確定回零方式。
（注：本文摘自）
伺服電機(jī)作為無刷電機(jī)的一種，更多其他相關(guān)測試知識，歡迎點(diǎn)擊此處進(jìn)行查詢。
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