社会应用中的步进电机编码器零位相位补偿技术与系统
导语：本文旨在介绍一种电机零位与绝对式编码器零位的相位补偿方法，重点关注如何正确获取和验证相位补偿值以及确保数据正确写入EEPROM中。实验结果表明，该方法操作简单、实用稳定。
引言：
随着工业4.0时代的到来，国家加大了制造业和智能装备的升级改造力度。伺服控制系统作为自动化和高端智能装备的核心组成部分，在提升生产效率和产品质量方面起到了至关重要的作用。永磁同步电机（PMSM）因其高效率、高气隙磁密度、高功率因素、结构紧凑简单以及线性响应等优点，在数控机床、机器人、载人飞船等领域得到了广泛应用。
为了准确获取伺服电机零位和编码器零位之间的相互关系，刘剑文总结了多种编码器不同类型间相互对齐的手段，这些手段以手动对齐为主，对齐过程包括：
给任意两相直接通入直流，使转子锁定在固定位置。
人工调节编码器与转子的位置，同时观察反馈数据，当出现特定的信号时，将编码器固定在转子上完成对齐。
这种人工寻找并校准零位非常耗费时间，而且影响精度一致性。因此，一些专用的调零装置被设计出来，如王新社等人的带有UVW霍尔信号增量式编码器专用的伺服驱动程序，它们可以通过选择开关控制步骤，并使用LED显示状态，以简化操作提高效率。但这些装置通常没有验证前校正结果或者后续校正后的效果。
张静波等设计了一款支持增量式和绝对式编码器的专用调整仪，但同样缺乏前后校正过程验证。此外，由于现有的调整设备依然存在不足，本文旨在完善绝对式编码器与电机零位之间的一种新的相期补偿方法。
工作原理：
交流伺服电机会通过矢量控制来实现最佳出力效果，而矢量控制需要获得准确的电角度。在交流伺服电机会输出三根时间轴上的投影表示，可以根据综合瞬时当前得到每个时间轴上的投影，即可确定当前三个瞬时当前所处位置。当综合瞬时当前指向a相时，即为最终计算出的角度即为电子圆环的一个分辨率单位，从而可以计算出任何一个具体点或分辨率单元所代表的情况。这就意味着我们可以从这个图形上读取任何一个特定的圆环上的某个具体点或者是某个特定的分辨率单元。而对于绝对型马达来说，由于它提供的是唯一性的标识，每一次启动都能够返回相同的一组数字，因此一般会将这组数字与实际真实情况进行比照以确认是否正常启动。如果发现不匹配，则可能需要调整一些参数以使其符合实际情况，从而达到最佳性能。
为了保证整个过程都是正确无误，我们考虑以下四点：
对于单圈绝对型马达，其输出初次需要一定角度才能输出标称分辨率，但如果只锁定少于该角度则可能导致低精度读数。
分体式绝对型马达由于装配原因可能导致错误反馈，所以必须先检验反馈数据。
计算出补偿角后需通过试运行验证其正确性。
写入EEPROM后需回读以保证数据完整无误存储。
图2展示了整个系统框架，其中包含两个阶段：第一阶段是锁轴并计算出补偿值；第二阶段是根据计算出的值进行试运行，以验证其有效性，并同时检查其他潜在问题如错误反馈或过载现象。
方法步骤：
首先，上电初始化阶段利用预设好的参数初始化相关函数，然后按照顺序将electric motor锁定到a, b, c三个不同的状态，每次结束延迟一定时间记录absolute encoder上传来的位置，并通过公式=+得到测量到的angle value。在此基础上，求平均值得到最终supplement angle。此外，还要注意周期内均匀分布的问题。在接下来的step S4中，用获得到的supplement angle进行试运行检测是否有错误报警，如data error, overcurrent or overheating etc.
软件流程：
这个方法还提供了两种触发方式。一种是使用单一开关控制方式，另一种则是利用PC软件进行独立管理各个功能，如lock motor, calculate supplement angle, write to EEPROM等。这两种方式分别由图4及图5所示，其中PC软件界面如图7所示，而实验平台搭建如图6所示。实验结果如图8及9展示了高速运行下的a/b/c三相electric current phase relationship，有助于评估vector control effectiveness.
平台验证：
基于以上理论框架，我们构建了一套完整测试平台用于确认该技术有效性。这套测试平台包括硬件设备如motor and encoder，以及软件环境供用户监控测试进程。在这里，我们采用了single switch control method 和 PC software control method 两个不同的触发模式来测试我们的技术方案。所有相关设备都已配置好，以便开始正式测试。此外，为确保所有设置均按预期执行，无论是在硬件还是软件层面，都实施严格质量标准，以保障实验结果的一致性且可靠性强。此外，也已经准备好了必要工具用于记录测量结果及分析发现的问题点，以便进一步优化我们的技术方案使之更加完善。本次研究主要目标就是解决目前市场上存在的问题，比如减少人工干预增加自动化程度提高生产效能降低成本并且更安全地完成任务最后使得这个项目更加具有竞争力。本研究成果将促进工业自动化领域产生新的发展趋势，为未来的创新奠定坚实基础。
