伺服自整定电机编码器零点的方法及其系统的制作方法

伺服自整定电机编码器零点的方法及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机领域，特别涉及伺服自整定电机编码器零点的方法及其系统。
【背景技术】
[0002]在伺服控制中，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。尤在电机磁场定向控制Fie Id Oriented Control (简称F0C)中，需要时刻知道电机定子UVW线圈与电机转子之间的夹角Θ(通常是采用U相与电机转子之间的夹角)，使d轴励磁分量和q轴出力分量合理解耦，以获得最佳的出力效果，即“类直流特性”。此角度通常是通过装在电机转子上的反馈装置编码器获得。然而，要准确的知道某一时刻电机定子线圈U相与电机转子之间的夹角，就需要知道此时电机转子所在的位置(即编码器的位置反馈)以及U相与编码器零点位置之间的夹角。其中，电机转子所在的位置可由编码器实时反馈获得;U相与编码器零点位置之间的夹角就需要通过各种方法提前获得。
[0003]现有技术中，电机定子U相与编码器零点位置之间的夹角获得方法有:
[0004]1、伺服电机生产时对编码器零点与电机定子U相线圈进行校准。
[0005]2、安装到最终的设备上之前，对电机编码器零点需要先空载校正完成后配置成伺服参数。
[0006]以上方法存在如下的问题:
[0007]1、增加了电机厂商生产电机时编码器安装的工序和难度。
[0008]编码器安装时，需要将电机转子位置和编码器零点位置调整到一定的相对位置关系才能固定，这对编码器固定时的位置精度具有较高的要求，增加了电机厂商进行编码器安装时工序和难度。
[0009]2、增加了伺服厂商使用电机时的难度，降低了驱动器和电机的通用性和无缝互换性。
[0010]伺服厂商在使用电机时首先需要知道电机厂商记录下来的电机转子位置和编码器零点的相对位置值，然而不同电机厂商生产的电机的这个相对位置值往往是不同的，这就要求伺服厂商在使用不同的电机时需要知道不同电机的位置角;并且在更换电机或者驱动器时，还需要重新配置相应的位置值，增加了伺服厂商使用电机时的难度，也降低了驱动器和电机的易用性和无缝互换性。
[0011]3、只能空载整定，对于已经安装，带负载的电机无法完成编码器零点整定。
[0012]由于电机编码器零点需要先空载校正完成后配置成伺服参数，才能安装到最终的设备上。对于已经安装在设备上的电机无法完成编码器零点的校正(尤其对于机器人或者提升设备等具有垂直性负载的场合)，这就增加了系统集成的要求和难度。
[0013]4、驱动器兼容性较差。
[0014]单个驱动器进行电机编码器零点校正只对对应的电机有效，无法实现对不同品牌电机编码器零点整定的兼容性，降低了驱动器的通用性。

【发明内容】

[0015]本发明的目的在于提供一种伺服自整定电机编码器零点的方法及其系统，使得即使电机在具有负载情况下，也能完成编码器零点校正，降低伺服厂商使用电机的难度，提高驱动器和电机的通用性和无缝互换性，实现驱动器对不同品牌编码器零点整定的兼容性。
[0016]为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种伺服自整定电机编码器零点的方法，包含以下步骤:在电机初次使用时，伺服器在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩;控制抱闸制动器松闸；在松闸状态下，对电机输出力矩，获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值;将获取的相对位置值，作为电机的编码器偏移角。
[0017]本发明的实施方式还提供了一种伺服自整定电机编码器零点系统，包含伺服器、电机、抱闸制动器;伺服器用于在电机初次使用时，在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩;驱动器还用于在输出平衡力矩后，控制抱闸制动器松闸；伺服器还用于在松闸状态下，对电机输出力矩；电机用于获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值，并将获取的相对位置值，作为电机的编码器偏移角。
[0018]本发明实施方式相对于现有技术而言，由于在整定电机编码器零点获得偏移角的过程中增加了抱闸制动器和抱闸控制逻辑，这样即使在电机具有负载的情况下，通过抱闸控制逻辑，关闭抱闸，抱死电机，伺服器在抱闸状态下向电机输出平衡力矩，当负载与力矩达到平衡后，松闸，在松闸状态下，通入直流电，在直流电产生的力矩的作用下，电机转子吸引到和定子U相重合位置，此时编码器的位置反馈值即为电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值，该相对位置值即为电机编码器的偏移角。由于在电机编码器零点偏移角整定过程中加入抱闸控制逻辑，可以满足不同应用场合的要求，实现电机带负载在线进行编码器零点校正，而不必先空载进行编码器零点的校正后再安装到最终系统设备上，减少了系统集成的要求，使电机的使用更加简单，有效降低了电机制造厂商生产电机时编码器安装的工序和难度，为电机制造厂商提供便利。
[0019]另外，在获取相对位置值的步骤后，将该相对位置值记录在电机的编码器内存中，供驱动该电机的伺服器读取。这样即使更换电机或者驱动器，也不需要重新配置相应的位置值，驱动器上电时可自动从电机编码器内存Electrically Erasable ProgrammableRead-On 1 y Memory (简称EEPROM)中读取电机转子位置和编码器零点之间的偏移角，提高了驱动器与电机的互换性和通用性，实现驱动器对不同品牌电机编码器零点整定的兼容性，实现电机和驱动器的任意匹配，降低了电机厂商使用难度。
[0020]另外，在松闸状态下，对电机输出力矩，获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值的步骤中，包含以下子步骤:向电机的定子线圈输入直流电，控制电机转子吸引到与定子U相重合的位置;将电机转子与定子U相处于重合位置时编码器的位置反馈值，作为相对位置值。
[0021]另外，在向电机的定子线圈输入直流电的步骤中，根据电机的运动趋势调整输入的直流电的给定方向，保证在电机转子吸引到与定子U相重合位置的过程中，电机动作最小，即电机转过的距离最少。
[0022]另外，在向电机的定子线圈输入直流电时，判断根据输入的直流电的给定方向预期的电机转子的转动方向，与电机转子的实际转动方向是否一致，如果不一致，则调整驱动器与电机的三相连接线。在相序判断过程中，可自动根据判断结果提示用户进行相序更换，方便快速检测出电机的三相接线接法是否正确，实现电机快速安装。
[0023]另外，在将获取的相对位置值，作为电机的编码器偏移角的步骤后，向抱闸制动器发出抱闸命令，并终止对电机输出的力矩。
[0024]另外，如果负载为垂直性负载，则在发出抱闸命令的预设时长后，再终止对电机输出的力矩，确保在终止输出力矩时，电机已被抱死，避免出现电机在无输出力矩时因垂直负载的作用而产生剧烈转动的情况，保证了电机的稳定性。
【附图说明】
[0025]图1是根据本发明第一实施方式的伺服自整定电机编码器零点的方法的流程图；
[0026]图2是根据本发明第二实施方式的伺服自整定电机编码器零点的方法的流程图；
[0027]图3是本发明第一实施方式中的抱闸逻辑控制示意图；
[0028]图4是本发明第二实施方式中非垂直性负载电机时的抱闸逻辑控制示意图；
[0029]图5是根据本发明第三实施方式伺服自整定电机编码器零点的系统的结构图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
[0031]本发明的第一实施方式涉及一种伺服自整定电机编码器零点的方法，具体流程如图1所示。
[0032]在步骤101中，驱动器上电初始化。
[0033]接着，在步骤102中，判断电机是否初次使用。在本实施方式中，电机在初次使用时，尚未获得电机定子的U相与编码器零点位置之间的夹角，如果不是初次使用，则说明已获得该夹角。因此，在本步骤中，将是否已获得该电机的编码器偏移角，作为电机是否初次使用的判断依据。比如说，通过伺服器从电机编码器内存中读取编码器偏移角，若读取不到编码器偏移角，则视为初次使用，能读取到编码器偏移角则视为非初次使用，此时，直接进入步骤116，伺服器从编码器内存中读取编码器偏移角。
[0034]当判断结果为电机初次使用时，进入步骤103，启动抱闸控制逻辑，伺服器控制抱闸制动器抱闸，固定住电机。具体地说，本实施方式中的抱闸控制逻辑如图3所示，图3中Servo_En= 1代表伺服上使能，Servo_En = 0代表伺服断使能;PWM=1代表PWM (脉冲宽度调节)有输出，即有力矩输出，PWM = 0代表P丽无输出即无力矩输出；Brake = 1代表抱闸松开，即松闸，Brake = 0代表抱闸抱死，即抱闸。在本实施方式中，在伺服器向电机输出力矩之前，控制抱闸制动器始终处于抱闸状态。
[0035]接着，在步骤104中，在抱闸状态下，伺服器根据电机负载情况，向电机输出平衡力矩。使伺服器输出的平衡力矩与电机负载达到平衡状态。具体地说，伺服器在电机抱闸状态(Brake = 0)下，根据电机负载大小，向电机定子线圈持续输入一定大小和方向的直流电。该大小和方向的直流电通入线圈中，产生的力矩可以平衡电机负载，此时，Brake = 0;P丽=1;Servo—Εη = Ιο
[0036]接着，在步骤105中，控制器控制抱闸制动器松闸。此时在平衡力矩的作用下，电机处于稳定状态，松闸之后电机的稳定状态不会受到影响。此时，Brake = 1 ； PffM= 1 ； Servo_En=1。
[0037]接着，在步骤106中，在松闸状态下，向电机定子线圈输入直流电。比如说，用一个直流电源给电机的UV绕组通一小于额定电流的直流电。
[0038]接着，在步骤107中，根据电机的运动趋势，调整电流给定方向，以保证在编码器零点整定过程中，电机转子吸引到与定子U相重合位置时，电机动作最小(即转过的距离最少)。
[0039]接着，在步骤108中，判断电机转子预期的转动方向与实际转动方向是否一致。预期的电机转子转动方向可根据通入的直流电的方向判断。此步骤为相序判断，在相序判断过程中，可自动根据判断结果提 示用户进行相序更换，方便快速检测出电机的三相接线接法是否正确，使得电机安装简单快速。
[0040]当判断结果为预期的电机转子的转动方向与实际转动方向一致时，进入步骤110，在直流电的作用下，电机转子吸引到与定子U相重合位置。
[0041]若判断结果为否，即预期的电机转子的转动方向与实际转动方向不一致时，进入步骤109，调整驱动器与电机的三相连接线，使电机转子预期的转动方向与实际转动方向一致。
[0042]接着，进入步骤110，在直流电的作用下，控制电机转子吸引到与定子U相重合位置，记录电机转子与定子U相重合时编码器的位置反馈值，此值即为电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值。
[0043]接着，进入步骤111，将获取的相对位置值，作为编码器偏移角存入编码器内存中，供驱动该电机的伺服器读取。这样即使更换驱动器，也不需要重新配置相应的偏移角，驱动器上电时可自动从电机编码器EEPROM中读取电机转子位置和编码器零点之间的偏移角，提高驱动器与电机的互换性和通用性，实现驱动器对不同品牌电机编码器零点整定的兼容性，实现电机和驱动器的任意匹配，降低了电机厂商使用难度。
[0044]接着，进入步骤112，伺服器从编码器内存中读取编码器偏移角。获取编码器的偏移角之后，即可进行对电机的F0C控制。
[0045]接着，进入步骤113，伺服器向抱闸制动器发出抱闸命令。通过抱闸方式固定电机，为后续伺服器终止输出力矩做准备，防止电机在负载的作用下转动。
[0046]接着，进入步骤114，预设时长内，在抱闸状态下，伺服器保持力矩输出。此时，Brake = 0 ； PWM = 1 ； Ser vo_En = 0。保证在终止输出力矩的时候，电机已被抱闸抱死，不会因为负载原因，电机发生剧烈的转动，确保电机的稳定。
[0047]接着，进入步骤115，终止向电机输出力矩。此时，Brake = 0;PWM = 0;Servo_En = 0。
[0048]不难发现，在本实施方式中，由于在整定电机编码器零点获得偏移角的过程中增加了抱闸制动器和抱闸控制逻辑，这样即使在电机具有负载的情况下，也能进行电机编码器零点自整定，使得电机在初次使用时即可通过自整定功能获取到电机的编码器偏移角，有效降低了电机制造厂商生产电机时编码器安装的工序和难度，为电机制造厂商提供便利。
[0049]本发明的第二实施方式涉及一种伺服自整定电机编码器零点的方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第一实施方式中，在伺服器向抱闸制动器发出抱闸命令后，不管电机是否具有负载情况，都存在一个预设时长，且在预设时长内伺服器保持输出力矩，预设时长之后伺服器再终止向电机输出平衡力矩。而在本发明第二实施方式中，伺服器根据负载情况判断是否需要延长力矩的输出时长，改进之后，更加灵活，并且能减少不必要的能源浪费。
[0050]具体地说，第二实施例中步骤201至步骤213与第一实施例中相对应的步骤101至步骤113相同，比如步骤201对应于步骤101，步骤202对应于步骤102，以此类推到步骤213对应于步骤113，在此不再赘述。
[0051]进入步骤214，根据负载情况判断是否需要延长力矩的输出时长。此判断主要是为了确认电机是否为垂直性负载电机，电机的负载类型不同，伺服器输出力矩的时长也不同。
[0052]判断结果为否时，直接进入步骤216，终止向电机输出力矩。此时Brake = 0 ;P丽=
0； Servo_En = 0。当为非垂直性负载电机时的抱闸控制逻辑如图4所示。
[0053]当判断结果为是时，即电机具有垂直性负载，进入步骤215，预设时长内，伺服器保持输出力矩。此时，Brake = 0；PWM=1；Servo_En = 0。确保在终止输出力矩时，电机已被抱死，避免出现电机在无输出力矩时因垂直负载的作用而产生剧烈转动的情况，保证了电机的稳定性。
[0054]接着，进入步骤216，终止向电机输出平衡力矩。此时，Brake = 0 ； PffM=0 ； Servo_En=0。
[0055]值得说明的是，本实施例主要涉及电机具有垂直性负载的情况，对于存在垂直性负载的场合，需要选用符合该负载特性的抱闸逻辑时序，电机先使能再打开抱闸，先关闭抱闸再断开电机使能，抱闸逻辑时序如图3所示。
[0056]上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
[0057]本发明的第三实施方式涉及一种伺服自整定电机编码器零点的系统，如图5所示，包含伺服器、电机、抱闸制动器;伺服器用于在电机初次使用时，在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩;伺服器用于在输出平衡力矩后，控制抱闸制动器松闸；伺服器还用于在松闸状态下，对电机输出力矩；电机用于获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值，并将获取的相对位置值，作为电机的编码器偏移角。
[0058]进一步地，电机将获取的相对位置值，记录在电机的编码器内存中，供驱动该电机的伺服器读取。
[0059]进一步地，伺服器还用于在得到电机的编码器偏移角后，向抱闸制动器发出抱闸命令;伺服器还用于在向抱闸制动器发出抱闸命令后，终止对电机输出的力矩。
[0060]本实施方式中，存在电机在进行编码器偏移角整定之前已经安装的情况，在电机具有负载的情况下，可以通过本实施方式中的抱闸控制逻辑，实现电机带负载整定。电机将获取的编码器偏移角存入编码器内存，后期若出现更换驱动器的情况，驱动电机的伺服器可以直接从编码器内存中读取存储的编码器偏移角，而无需重新进行编码器零点整定。因此，提高了驱动器与电机的互换性和通用性，实现驱动器对不同品牌电机编码器零点整定的兼容性，实现电机和驱动器的任意匹配。
[0061 ]不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
[0062]本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【主权项】
1.一种伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于，包含以下步骤: 在电机初次使用时，伺服器在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩； 控制抱闸制动器松闸； 在松闸状态下，对所述电机输出力矩，获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值； 将所述获取的相对位置值，作为所述电机的编码器偏移角。2.根据权利要求1所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于，还包含以下步骤: 在获取所述相对位置值的步骤后，将该相对位置值记录在所述电机的编码器内存中，供驱动该电机的伺服器读取。3.根据权利要求1所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于，所述对电机输出力矩，获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值的步骤中，包含以下子步骤: 向所述电机的定子线圈输入直流电，控制电机转子吸引到与定子U相重合的位置； 将所述电机转子与定子U相处于重合位置时编码器的位置反馈值，作为所述相对位置值。4.根据权利要求3所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于， 在向所述电机的定子线圈输入直流电的步骤中，根据所述电机的运动趋势调整所述输入的直流电的给定方向。5.根据权利要求4所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于，还包含: 在向所述电机的定子线圈输入直流电时，判断根据输入的直流电的给定方向预期的所述电机转子的转动方向，与所述电机转子的实际转动方向是否一致，如果不一致，则调整所述驱动器与所述电机的三相连接线。6.根据权利要求1至5中任一项所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于，还包含以下步骤: 在将所述获取的相对位置值，作为所述电机的编码器偏移角的步骤后，向所述抱闸制动器发出抱闸命令，并终止对所述电机输出力矩。7.根据权利要求6所述的伺服自整定电机编码器零点的方法，其特征在于， 如果所述负载为垂直性负载，则在发出所述抱闸命令的预设时长后，再终止对所述电机输出力矩。8.—种伺服自整定电机编码器零点的系统，其特征在于，包含伺服器、电机、抱闸制动器； 所述伺服器用于在所述电机初次使用时，在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩； 所述伺服器还用于在输出平衡力矩后，控制所述抱闸制动器松闸； 所述伺服器还用于在松闸状态下，对所述电机输出力矩； 所述电机用于获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值，并将所述获取的相对位置值，作为所述电机的编码器偏移角。9.根据权利要求8所述的伺服自整定电机编码器零点的系统，其特征在于， 所述电机将所述获取的相对位置值，记录在所述电机的编码器内存中，供驱动该电机的伺服器读取。10.根据权利要求8所述的伺服自整定电机编码器零点的系统，其特征在于，所述伺服器还用于在得到所述电机的编码器偏移角后，向所述抱闸制动器发出抱闸命令； 所述伺服器还用于在向所述抱闸制动器发出抱闸命令后，终止对所述电机输出力矩。
【专利摘要】本发明涉及电机领域，公开了一种伺服自整定电机编码器零点的方法及其系统，包含以下步骤：在电机初次使用时，伺服器在抱闸状态下根据该电机的负载，向该电机输出平衡力矩；控制抱闸制动器松闸；在松闸状态下，对电机输出力矩，获取电机转子位置和编码器零点位置的相对位置值；将获取的相对位置值，作为电机的编码器偏移角。使得电机在具有负载情况下，也能完成编码器零点校正，降低伺服厂商使用电机的难度，提高驱动器和电机的通用性和无缝互换性，实现驱动器对不同品牌编码器零点整定的兼容性。
【IPC分类】H02K11/21, H02P25/02, H02P23/14
【公开号】CN105490609
【申请号】CN201510968205
【发明人】李虎修, 丁信忠, 柳竹青, 严彩忠, 王科, 姜宇, 姜荣辉
【申请人】上海新时达电气股份有限公司, 上海辛格林纳新时达电机有限公司, 上海新时达机器人有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月21日