防爆伺服电机的回零

2022-06-17 08:53:02 admin 10
前言

防爆伺服电机是数字化执行元件,具有精度高、稳定性好、快速响应等优点,在工业中得到广泛应用。
位置控制的防爆伺服电机,需在电机运行的位置空间,确定一个参考点,以此参考点确定伺服电机的实时位置。此参考点称为零点,确定此参考点的过程称为回零。本文主要介绍旋转交流防爆伺服电机的回零问题。
01
伺服机械机构简介
伺服驱动常见的机械机构有如下几种形式。有的是回转运动机构,有的是把伺服电机的回转运动转化成直线运动的机构。

防爆伺服电机,防爆交流伺服电机

图1:常见机械机构
一般的机械机构会有限位开关、零点开关等信号,以典型滚轴丝杠机构为例,其丝杠行程上有左右限位开关,并有一个原点检测开关如图2所示。

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图2:带开关的丝杠模组
在控制器侧会把位置单位从脉冲换算成容易理解的单位,如度、毫米、英寸等。机械安装时,伺服电机自身编码器的读数是随机的,机械机构运行之前,需要在机械运行行程内确定零点。
在讲回零之前,先简单了解一下常见的防爆伺服电机编码器。
02
常见的防爆伺服电机编码器
伺服电机编码器按编码方式,主要分为增量型和绝对值型。见图3:

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图3:增量和绝对值编码器码盘
增量型:增量型编码器码盘,每旋转一圈都会有一个Indexmark,即经常提及的Z相脉冲,或索引脉冲。增量式编码器通过A、B相的相位关系判断旋转方向,通过A、B相的脉冲数计算行走距离,通过脉冲频率计算运动速度。用索引脉冲计算圈数。此索引脉冲可用于精确寻零。
绝对值型:绝对值编码器,每个细分角度,其读数都是一个独一无二的格雷码值。即:每个细分角度都有一个唯一对应的绝对位置。每圈有且只有一个细分角度的读数为0000…(0的个数取决于编码器的分辨率)。有的品牌的伺服驱动器,可以用这个零读数视为索引脉冲,完成回零。
绝对值型编码器有单圈和多圈之分,单圈编码器只能记住一圈内的绝对位置,多圈编码器还可记住圈数。
伺服电机的反馈装置除了编码器,还可以有其他形式,比如旋转变压器等。旋转变压器在每圈也可生成一个模拟的索引脉冲。
03
防爆伺服电机的回零要求
增量编码器:每次上电时,编码器计数都被清零,因此,每次上电后都要回零。
单圈绝对值编码器:若机械行程较短,伺服电机的转动范围在一圈以内,则不需要每次上电都回零,但机械首次运行时,要回零一次,以确定机械零点。如转动范围超过一圈,则每次上电都要回零。
多圈绝对值编码器:多圈绝对值编码器不需要每次上电都回零,在对应的驱动器内部或编码器线上有电池,用于保存编码器的绝对位置值。但机械首次投入运行时,需要回零一次,以确定机械零点。
04
回零原理介绍
有4种信号可作为回零信号:正/负限位开关、零位开关和编码器的索引脉冲。

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图4:滚轴丝杠示意图
如上图所示,左/右超限开关或近原点输入,就是机械行程中的几个”锚”,可在任何一个“锚”附近确定一个位置作为零点。一般可选择近原点输入。如没安装近原点输入开关,也可用左右超限开关作为“锚“点。
左/右限位开关和零位开关,都要接到对应的伺服驱动器上,不要接到上位控制器侧。
通过几个“锚”与索引脉冲结合,可实现多种形式的精确回零。
具体的回零方式有很多,下面以近原点输入和索引脉冲结合回零的一种方式,解释回零过程。
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图5:下降沿索引脉冲确定零点
回零前,要预先设定一个回零方向,如上图,从右向左回零。

  1. 电机从起点开始以目标速度(寻零速度)向左运行寻找近原点输入信号。检测到近原点输入的上升沿后开始减速。起始点距离近原点输入之间的距离可能比较长,所以目标速度要设的稍大。由于目标速度较大,电机降速或停止时,过冲距离是比较大的。
  2. 检测到近原点输入后,伺服电机降速到蠕变速度后继续前行,直至检测到“近原点输入”的下降沿。蠕变速度比目标速度小,过冲距离也较小。
  3. 在检测到近原点输入的下降沿后,降速到零,然后以爬行速度寻找伺服电机编码器的索引脉冲。这种情况,电机停在索引脉冲上,完成回零。

以上回零过程可以概括为:在近原点输入信号的下降沿寻找索引脉冲并确定零点。
与之对应回零方式:在近原点输入信号的上升沿寻找索引脉冲(Z相脉冲)确定零点。如图6所示
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图6:上升沿索引脉冲确定零点
向左高速找到近原点输入上升沿后降速并反向运行直至近原点输入OFF,然后向左以蠕变速度再次寻找近原点输入的上升沿,而后降速并以爬行速度寻找第一个索引脉冲(Z相脉冲)作为零点。
在以上介绍的两种回零情况下,回零都分三个阶段,三个阶段运行速度越来越低,电机过冲越来越小,停车精度越来越高。
还有其他几种可能。比如电机启动时近原点输入信号为ON、限位(-)输入信号为ON或起点在近原点输入和限位(-)输入信号之间等。针对各种不同的情况,伺服电机会执行不同的运动,但最终都能找到对应的索引脉冲。

  • 对回零精度要求不高的,可以只执行上述的第一步即认为回零完成。
  • 对回零精度要求稍高的,可以执行完第二步,即认为回零完成。
  • 对精度要求很高的场合,可执行完3步。以索引脉冲位置确定零点。

还有其他类型的回零方式,如:

  1. 直接寻找索引脉冲,找到索引脉冲后立即停止,以此点作为零点。
  2. 以机械挡块作为限位开关。当把机械挡块作为“锚“点时,把伺服电机的扭矩值作为”锚“点是否找到的判据。
  3. 电机不执行动作,直接把电机的当前值设为零点。

总之,大部分回零过程主要包含如下部分或全部动作过程。

  1. 确定回零方向。
  2. 从起始位置沿回零方向高速寻找“锚“点。
  3. 中速检测“锚“点的上升或下降沿。
  4. 在“锚“点上升沿或下降沿的左侧或右侧低速寻找索引脉冲(或其他类型零点信号)。

05
CANopen over EtherCAT(CoE) 伺服轴回零
伺服电机都要由伺服驱动器驱动。现在,很多伺服驱动器支持EtherCAT通讯,其在应用层实现了CANopen Drive Profile (CiA402)。伺服驱动器由支持EtherCAT的控制器,如PLC,IPC等的控制。这种情况下,伺服电机的回零需要在控制器内实现。CiA402支持的回零方法DS402 homing,总共定义了37种回零方式,不同厂家的控制器或驱动器产品,可支持不同的回零方式。
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图7: DS402 Homing支持的回零方式
控制器与驱动器之间通过PDO和SDO进行数据交互。具体各PDO、SDO映射可参考EtherCAT的对象字典。
伺服电机回零需要的参数,如控制字、各种回零速度、加速度、减速度、回零方式、回零方向等参数都在控制器侧设置,并传给伺服驱动器。
状态字、限位开关、回零开关、实时位置、回零状态等参数都由驱动器传给控制器。在驱动器侧要定义各输入点的功能,如限位开关,回零开关等。数字IO都通过PDO: 0x60FD传给控制器。一般0x60FD的16至23位对应伺服驱动器的各DI输入点。
控制器方的工程软件中,会提供回零参数设置功能及回零功能块,可对相关参数进行设置及编程。图8为某厂家的参数设置画面及功能块:
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图8:回零参数设置及功能块
参数设置完成,EtherCAT通讯网络启动后,在控制器侧激活Home的功能块,在驱动器侧即可启动并完成回零过程。
06
索引脉冲的映射问题
在DS 402的对象字典中,是没有索引脉冲的映射的。回零时,寻找索引脉冲的第三步,是在驱动器内部执行的,在寻找索引脉冲期间,无法通过上位控制器控制伺服驱动器。找到索引脉冲回零完成后,驱动器通过状态字PDO:0x6041告知控制器回零完成。因此,索引脉冲只在驱动器内起作用,不需要映射回上位控制器。
很多厂家的伺服驱动器和控制器产品都支持EtherCAT和CoE,各家支持的回零方式可能不一样,需要映射的PDO或SDO也可能有些差别,要依据各家产品的技术说明进行相应设置。
总结
伺服电机运行前要先确定零点,伺服电机的位置坐标基于零点建立。
增量型编码器每次上电需要回零,绝对值编码器视具体情况确定是否需要回零。但机械在首次投入使用时要执行一次回零,以确定机械原点。
回零过程即在某一个“锚”点附近,找到一个可重复的位置点作为零点。
爬行速度寻找索引脉冲过程在驱动器内实现,索引脉冲无需映射到控制器侧。
有很多种回零方式,可根据具体产品所支持的回零方式、机械机构提供的IO信号、具体应用要求等,灵活确定回零方式。


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