一、編碼器原理

編碼器的種類有很多種，輸出的信號(hào)形式也有很多種，目前主要使用的為光電編碼器，輸出信號(hào)形式為脈沖方式，其原理如下圖1-1

圖1-1

光電碼盤安裝在電機(jī)軸上，其上有環(huán)形通、暗的刻線。通過LED發(fā)射光源，多組光耦器件矩陣排列提升信號(hào)穩(wěn)定性，并通過接受光源的強(qiáng)弱，內(nèi)部進(jìn)行比較輸出A、B兩路信號(hào)。A、B信號(hào)相差90度相位差。另外每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。

由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

為增加編碼器信號(hào)長(zhǎng)線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，A、B、Z信號(hào)輸出時(shí)經(jīng)差分輸出以增加信號(hào)穩(wěn)定性。

光電編碼器的霍爾信號(hào)U、V、W其產(chǎn)生原理與A、B信號(hào)基本一致。無刷或低壓伺服也有通過磁環(huán)及霍爾元件來產(chǎn)生霍爾信號(hào)。

二、伺服電機(jī)中霍爾應(yīng)用原理

眾所周知伺服電機(jī)相比其他電機(jī)具有很高的效率，其主要原因是伺服電機(jī)采用了矢量控制的原理。簡(jiǎn)單來說，伺服電機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)的永磁體（轉(zhuǎn)子）和三組均勻分布的線圈（定子）組成，線圈包圍著定子被固定在外部。電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，三組磁場(chǎng)相互疊加形成一個(gè)矢量磁場(chǎng)。通過分別控制三組線圈上的電流大小，我們可以使定子產(chǎn)生任意方向和大小的磁場(chǎng)。

同時(shí)，通過定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到控制。對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的任意角度，定子都存在著一個(gè)最優(yōu)化的磁場(chǎng)方向，能產(chǎn)生最大的力矩。很顯然如果定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向正交于轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，這個(gè)位置就是產(chǎn)生最大力矩的位置。

固定線圈的空間電流矢量具有一個(gè)固定的磁場(chǎng)方向，這完全由通過線圈的磁通大小和流經(jīng)線圈的電流相互作用決定的。這樣我們就可以用空間電流矢量來表征定子的磁場(chǎng)，這個(gè)空間電流矢量也就是三組線圈所產(chǎn)生的電流矢量的空間疊加。這個(gè)就是伺服矢量控制的基本原理。

交流伺服驅(qū)動(dòng)起得到運(yùn)轉(zhuǎn)指令后，先根據(jù)電機(jī)霍爾U、V、W反饋的信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子初步位置， 給出初始電流使定子形成一個(gè)與在該區(qū)間轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)使之輸出第一個(gè)霍爾上升下降沿（U、V、W中任一個(gè)發(fā)生高低電平變化）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器立即根據(jù)該轉(zhuǎn)子位置變換電流使定子形成與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)，此后便根據(jù)A、B信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子的位置輸出電流，確保定子的磁場(chǎng)始終與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直。為減少A、B信號(hào)的累計(jì)誤差，每次遇到Z信號(hào)時(shí)便對(duì)A、B信號(hào)進(jìn)行校正，以減少誤差累計(jì)。

第一：判斷轉(zhuǎn)子位置

圖1-2

如圖1-2，編碼器讀數(shù)頭獲得的霍爾U、V、W信號(hào)將轉(zhuǎn)子位置劃分為6個(gè)區(qū)域，霍爾信號(hào)如下表

如圖1-3所示，轉(zhuǎn)子位于0-60°位置，則定子給出一與30°位置垂直的磁場(chǎng)使之旋轉(zhuǎn)，如下圖：

圖1-3

此磁場(chǎng)方向初始一直保持不變，直至遇到第一個(gè)霍爾上升下降沿，便進(jìn)行改變，如圖1-4：

圖1-4

從此以后便根據(jù)A、B信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子位置，使定子磁場(chǎng)一直保持與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)垂直。

三、調(diào)試步驟

電機(jī)繞組U、V、W反電動(dòng)勢(shì)需滿足U超前V超前W。用示波器測(cè)量電機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形，得到如下波形圖1-5：

圖1-5

則可定義黃色波形所對(duì)應(yīng)繞組為U，藍(lán)色波形所對(duì)應(yīng)繞組為V，紅色波形所對(duì)應(yīng)繞組為W。

這一項(xiàng)很多朋友都很容易忽略，總是直接按編碼器的定義直接安裝驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)要求來直接接線，經(jīng)常導(dǎo)致有的信號(hào)編碼器可以，換一種編碼器又不行。產(chǎn)生這個(gè)問題的原因主要是驅(qū)動(dòng)器與編碼器不是同一家廠家生產(chǎn)的，所以其定義的旋轉(zhuǎn)正方向不一致，就目前我所調(diào)試的編碼器來看，安華高、多摩川定義的旋轉(zhuǎn)方向與雷賽伺服定義一致，而內(nèi)密控、丹納赫定義的旋轉(zhuǎn)方向相反。

所以對(duì)一個(gè)新的編碼器，一、通過資料判斷其定義的旋轉(zhuǎn)方向，二、通過測(cè)試來確定其旋轉(zhuǎn)方向，其方法如下：

1、按雷賽定義的旋轉(zhuǎn)方向（逆時(shí)針）運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)試其定義的A、B信號(hào)波形，如圖

1-6：

圖1-6

如測(cè)試發(fā)現(xiàn)為B信號(hào)超前A信號(hào)90°，則需將A信號(hào)定義為B信號(hào)，B信號(hào)定義為A信號(hào)。如果不將A、B信號(hào)重新定義，則編碼器反饋的行程與所運(yùn)轉(zhuǎn)的行程相反，導(dǎo)致伺服電機(jī)“飛車”的產(chǎn)生。

2、按雷賽定義的旋轉(zhuǎn)方向（逆時(shí)針）運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)試其定義的霍爾U、V、W信號(hào)波形，

 現(xiàn)霍爾U、V、W信號(hào)為霍爾U超前霍爾V超前霍爾W，則為符合雷賽伺服定義標(biāo)準(zhǔn)。如發(fā)現(xiàn)霍爾U超前霍爾W超前霍爾V，則需將霍爾W定義為霍爾V，霍爾V定義為W，如不進(jìn)行重新定義，則根據(jù)上文中闡述的霍爾信號(hào)應(yīng)用原理，則會(huì)發(fā)生驅(qū)動(dòng)器對(duì)轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤的情況。

3、霍爾信號(hào)與反電動(dòng)勢(shì)相位關(guān)系

如圖1-7與1-8對(duì)相位關(guān)系

圖1-7與圖1-8

零相序?yàn)椋夯魻朥對(duì)UV線間反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接U、負(fù)接V）, 霍爾V對(duì)VW線間反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接V、負(fù)接W），霍爾W對(duì)WU線間反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接W、負(fù)接U）,相位關(guān)系為霍爾信號(hào)的上升沿過零點(diǎn)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)上升沿的過零點(diǎn)。

146相序?yàn)椋夯魻朥對(duì)U相反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接U、負(fù)接零線）, 霍爾V對(duì)V相反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接V、負(fù)接零線），霍爾W對(duì)W相反電動(dòng)勢(shì)（探頭正接W、負(fù)接零線）,相位關(guān)系為霍爾信號(hào)的上升沿過零點(diǎn)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)上升沿的過零點(diǎn)。

通過以上的調(diào)整，大家就可以利用雷賽高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)器匹配各類型伺服電機(jī)以滿足各類應(yīng)用要求了。