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。

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。

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伺服电机编码器。

02常见的伺服电机编码器

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：

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。

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。

回零前，要预先设定一个回零方向，如上图，从右向左回零。

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。

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。

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

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：

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。

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。

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。

确定回零方向。

从起始位置沿回零方向高速寻找“锚“点。

中速检测“锚“点的上升或下降沿。

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）。

05CANopen 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。

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：

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