电机编码器的使用方法

电机编码器位置的校正原理(PMSM Encoder Calibration)

绝对编码器

不需要在运行开始前进行参考点的定位(增量编码器需要先找到Z信号)，即便是在掉电期间产生的转动也不妨碍后续上电后的定位，因为任意角度都独立对应唯一的编码，读取编码就读取了角度。

需要事先确定转子经过A轴时的编码，如此转子任意位置真正地唯一对应了一个编码，这个是在工厂安装编码器时就可以确定的事情，事后我们其实无法改变。

增量编码器

• 通过Z信号定位参考点，通过AB两路方波脉冲计量角度增量。

引用于https://zhuanlan.zhihu.com/p/64794247 在转子转动过程中，转子每转一圈（机械角一圈），编码器发出一个Z脉冲信号。

理想的情况是，转子d轴正对定子绕组A相时出现Z信号，此时磁场定向的角度为0，符合教材的讲述。
在实际中，由于安装的不确定性，Z信号在转子d轴与A相轴线之间存在角度偏差$\delta$时发出。

//转子N极与Encoder重合时发出Z信号，此后便可以依据此时的AB脉冲距离Z脉冲的距离计算出N极与encoder之间的角度偏差$\theta$。

在做控制的过程中，我们需要的是d轴与定子A相轴之间的角度，因此需要在编程前校正电机转子位置。

注意： 有意思的一种情况是，如果你知道编码器的线数，其实可以通过某种强行拖动方法，让电机初始时刻停在A相，此时让编码器计数器清零，当后续编码器计数到最大线数时表示转完了一圈，这个方法不需要Z信号也能获取转子位置，但可能会造成误差累积。此外，有些情况是不允许有强行复位的这个过程的，此时则需要通过一些初始位置估计的方法得到初始转子位置。

理想情况

在Simulink中搭建电机发电仿真模型，模型中默认转子d轴与A相绕组重合。

A相的磁链表达式为${\psi }_a={\psi }_m\cos \omega \tau$

在发电机状态下，电机的电压方程满足$e=u+iR$

忽略电机的内阻，则有$e=u$

从而可得电机A相的端电压为$u_a={\psi }_m\omega \sin \omega \tau$

仿真所观察的波形印证了理论分析，电机在外力匀速拖动时，转子位置零点与反电势对应的A相电压正过零点是一致的。

实际情况

实际情况是，Z信号发生的位置，也即编码器给出的d轴位置与A相绕组是存在偏差的，因此需要通过实验得到这个偏差角。

将电机三相定子绕组接到对称的三相电阻上，按照编码器角度增加的方向，也即正方向转动电机。

测量此时的A相电阻电压波形，同时观察Z信号的输出，依据Z信号与A相电阻电压的相位差得到编码器距离A相轴的电角度偏差$\delta$。

因此，在编程时任意时刻的真实转子位置电角度可以表示为
$${\theta }^{{}^{\prime }}=\theta +\delta$$

实验一

在一台三对极，带2048线编码器的电机上进行d轴校准实验。

在手动转动电机转子的发电模式下得到三相电压波形与Z信号波形。

注意到Z信号出现的位置是离A相电压正过零点电角度215${}^{\circ }$，因此在编码器输出的电角度上再加上一个校正值，在标幺制下为

$\frac{215}{360}=0.5972$。

因此，实际的出现Z信号的位置在图中标注E的位置。

电角度超前A相215°，对于三对极电机，即机械角度超前71°，采用2048线增量编码器，即线束超前$\frac{71}{360}\ast 2048\ast 4=1615$。

电角度滞后A相145°，对于三对极电机，即机械角度超前48°，采用2048线增量编码器，即线束滞后$\frac{46}{360}\ast 2048\ast 4=1100$。

实验二

在CCS中进行d轴位置的校准实验，设置在检测到Z信号后编码器读数归零，且此时在A相注入一定强度的电流，具体方法是，强制将FOC控制代码的角度设置为0，即假设此时d轴正好停在A相，并且将d轴电流控制为一个合适的电流，此时电机转子将从出现Z信号的位置迅速锁定在A相相轴。（按照FOC的控制逻辑，如果此时将d轴电流控制为0，q轴电流控制为合适的量，那电机就会以最大转矩转动）

在仿真器中读取此时的编码器读数，若小于转一圈(本试验为8192)的一半，则表示Z信号发出后转子正方向旋转至A相，若大于转一圈的一半，则表示Z信号发出后转子反方向旋转至A相。

可以看到，实验中编码器的读数恰好为1100，也即代表转子正方向旋转至A相，在填写校正值时，需要填写此读数的相反数。

The end