数控进给故障与排除(3)

4.3.3 交流伺服系统

1. 常用交流伺服系统介绍

1） FANUC公司交流进给驱动系统

FANUC公司在80年代中期推出了晶体管PWM控制的交流驱动单元和永磁式三相交流同步电动机，电动机有S系列、L系列、SP系列和T系列，驱动装置有α系列交流驱动单元等。 2） SIEMENS公司交流进给驱动系统 1983年以来，SIEMENS公司推出了交流驱动系统。由6SC610系列进给驱动装置和6SC611A（SIMODRIVE611A）系列进给驱动模块、1FT5和1FT6系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用晶体管PWM控制技术，带有

热效应监控等功能。另外，SIEMENS公司还有

用于数字伺服系统的SIMODRIVE611D系列进给驱动模块。 3） MITSUBISHI公司交流进给驱动系统

MITSUBISHI公司的交流驱动单元有通用型的MR-J2系列，采用PWM控制技术，交流伺服电动机有HC-MF系列、HA-FF系列、HC-SF系列和HC-RF系列。另外，MITSUBISHI公司还用用于数字驱动系统的MDS-SVJ2系列交流驱动单元。 4） A-B公司交流进给驱动系统

A-B公司的交流驱动系统有1391系统交流驱动单元和1326型交流伺服电动机。另外，还有1391-DES系列数字式交流驱动单元，相应的伺服电动机有1391-DES15、1391-DES22和1391-DES45三种规格。

5） 华中数控公司交流进给驱动系统

华中数控公司的交流驱动系列主要HSV-9、HSV-11、HSV-16和HSV-20D四种型号。HSV-11运用了矢量控制原理和柔性控制技术，共有额定电流为14A，20A， 40A， 60A 这4个系列；HSV-16采用专用运动控制DSP、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等新技术设计，操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。HSV-20D是武汉华中数控股份有限公司继HSV-9、HSV-11、HSV-16之后，推出的一款全数字交流伺服驱动器。具有025、050、075、100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。

2. 交流伺服系统的组成

交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图4-11所示。

（1）交流伺服电动机。可分为永磁交流同步伺服电动机，永磁无刷直流伺服电动机、感应伺服电动机及磁阻式伺服电动机； （2）PWM功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器（包括智能型IGBT逆变器模块）等。

（3）微处理器控制器及逻辑门阵列。可分为单片机、DSP数字信号处理器、DSP+CPU、多功能DSP（如TMS320F240）等； （4）位置传感器（含速度）。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等； （5）电源及能耗制动电路； （6）键盘及显示电路；

（7）接口电路。包括模拟电压、数字I/O及串口通讯电路 （8）故障检测，保护电路。

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图4-11 交流伺服系统组成 3. 交流伺服电动机的简介

交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为感应式（或称异步）交流伺服电动机、永磁式同步电动机、永磁式无刷直流伺服电动机、和磁阻同步交流伺服电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。

感应式交流伺服电动机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固、造价低、免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生，很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4~5倍的额定转速；缺点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困难，要求较大的伺服驱动器容量，电动机的电磁关系复杂，要实现电动机的磁通与转矩的控制比较困难，电动机非线性参数的变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的控制效果。

永磁同步交流伺服电动机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电动机简单，并且能达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗，效率高、内功率因数高，也具有无刷免维护的特点，体积和惯量小，快速性好；在控制上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的位置；价格较感应电动机贵。

无刷直流伺服电动机，其结构与永磁同步伺服电动机相同，借助较简单的位置传感器（如霍尔磁敏开关）的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电动机的气隙磁通为方波分布，可降低电动机制造成本。有时，将无刷直流伺服系统与同步交流伺服混为一谈，外表上很难区分，实际上两者的控制性能是有较大差别的。

磁阻同步交流伺服电动机，转子磁路具有不对称的磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗；其气隙磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分量则产生电磁转矩；内功率因数较低，要求较大的伺服驱动器容量，也具有无刷、免维护的特点；并克服了永磁同步电动机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁控制，速度控制范围可达到0.1rpm~10000rpm，也兼有永磁同步电动机控制简单的优点，但需要轴位置传感器，价格较永磁同步电动机便宜，但体积较大些。

目前市场上的交流伺服电动机产品主要是永磁同步伺服电动机及无刷直流伺服电动机。

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4. 永磁式同步交流伺服电动机控制原理

图4-11表示永磁同步电动机控制原理框图.交流伺服系统是一个多环控制系统,需要实现位置、速度、电流三种负反馈控制.设置了三个调节器,分别调节位置、速度和电流,三者之间实行串级联接,把位置调节器的输出当作速度调节器的输入, 再把速度调节器的输出作为电流调节器的输入,而把电流调节器的输出经过坐标变换后,给出同步电动机三相电压的瞬时给定值,通过PWM逆变器,实现对同步电动机三相绕组的控制.实测的三相电流(

)瞬时值,也

要通过坐标反变换,成为实现电流的反馈控制.上述控制框图,在结构电流为最内环,位置为最外环,形成了位置、速度、电流的三闭环控制系统。

图4-11 永磁同步电动机控制原理框图 4.3.4 典型接口电路举例及电路接口 例：采用SINUMERIK802D带总线指令接口控制的SIMODRIVE 进给驱动装置的连线实例，如图4-12所示。

例：某进给伺服驱动装置的接口如图4-13所示。

图4-13 某进给伺服驱动装置的内部接口图

4.4 进给伺服驱动系统常见的报警及处理 4.4.1 进给伺服系统各类故障的表现形式

当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现方式：

① 在CRT或操作面板上显示报警内容和报警信息，它是利用软件的诊断程序来实现的。 ② 利用进给伺服驱动单元上的硬件（如：报警灯或数码管指示，保险丝熔断等）显示报警驱动单元的故障信息；

③ 进给运动不正常，但无任何报警信息。

其中前两类，都可根据生产厂家或公司提供的产品《维修说明书》中有关“各种报警信息产生的可能原因”的提示进行分析判断，一般都能确诊故障原因、部位。对于第三类故障，则需要进行综合分析，这类故障往往是以机床上工作不正常的形式出现的，如机床失控、机床振动及工件加工质量太差等。 伺服系统的故障诊断，虽然由于伺服驱动系统生产厂家的不同，在具体做法上可能有所区别，但其基本检查方法与诊断原理却是一致的。诊断伺服系统的故障，一般可利用状态指示灯诊断法、数控系统报警显示的诊断法、系统诊断信号的检查法、原理分析法的等等。

4.4.2 软件报警（CRT显示）故障及处理 1. 进给伺服系统出错报警故障 这类故障的起因，大多是速度控制单元方面的故障引起的，或是主控制印制线路板与位置控制或伺服信号有关部分的故障。例：下表为FANUC PWM速度控制单元的控制板上的7个报警指示灯，分别是BRK、HVAL、HCAL、OVC、LVAL、TGLS以及DCAL；在它们下方还有PRDY（位置控制已准备好信号）和VRDY（速度控制单元已准备好信号）2个状态指

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示灯，其含义见表4-11。

表4-11 速度控制单元状态指示灯一览表 代号 BRK HCAL HVAL OVC LVAL 含义 驱动器过电流报警 驱动器过电压报警 驱动器过载报警 驱动器欠电压报警 备注 代号 红色 DCAL 红色 PRAY 红色 VRDY 含义 转速太高 直流母线过电压报警 位置控制准备好 速度控制单元准备好 备注 红色 红色 绿色 绿色 驱动器主回路熔断器跳闸 红色 TGLS 红色 备注：表示出于含义说明中是的状态

2. 检测元件（测速发电动机、旋转变压器或脉冲编码器）或检测信号方面引起的故障。 例如：某数控机床显示“主轴编码器断线”。引起的原因有：

① 电动机动力线断线。如果伺服电源刚接通，尚未接到任何指令时，就发生这种报警，则由于断线而造成故障可能性最大。 ② 伺服单元印制线路板上设定错误，如将检测元件脉冲编码器设定成了测速发电动机等。 ③ 没有速度反馈电压或时有时无，这可用显示其来测量速度反馈信号来判断，这类故障除检测元件本身存在故障外，多数是由于连接不良或接通不良引起的。

④ 由于光电隔离板或中间的某些电路板上劣质元器件所引起的。当有时开机运行相当长一段时间后，出现“主轴编码器断线”，这时，重新开机，可能会自动消除故障。

3. 参数被破坏 参数被破坏报警表示伺服单元中的参数由于某些原因引起混乱或丢失。引起此报警的通常原因及常规处理见表4-12。 表4-12 “参数被破坏”报警综述 警报内容 警报发生状况 可能原因 正在设定参数时电源断开 正在写入参数时电源断开 参数破坏 在接通控制电超出参数的写入次数 源时发生 处理措施 进行用户参数初始化后重新输入参数 更换伺服驱动器（重新评估参数写入法） 伺服驱动器EEPROM以及外更换伺服驱动器 围电路故障 参数设定异常 在接通控制电装入了设定不适当的参数 源时发生 执行用户参数初始化处理

4. 主电路检测部分异常 引起此报警的通常原因及常规处理见下表4-13。 表4-13 “主电路检测部分异常”报警综述 警报内容 警报发生状况 可能原因 处理措施 将电源恢复正常 更换伺服驱动器 主电路检测部分异常 在接通控制电控制电源不稳定 源时或者运行伺服驱动器故障 过程中发生 5. 超速 引起此报警的通常原因及常规处理见下表4-14。 表4-14 “超速”报警综述 警报内容 超速 警报发生状况 可能原因 接通控制电源电路板故障 时发生 电动机编码器故障 处理措施 更换伺服驱动器 更换编码器 14

电动机运转过速度标定设定不合适 程中发生 速度指令过大 重设速度设定 使速度指令减到规定范围内 电动机编码器信号线故重新布线 障 电动机编码器故障 电动机启动时超跳过大 发生 负载惯量过大 更换编码器 重设伺服调整使起动特性曲线变缓 伺服在惯量减到规定范围内

6. 限位动作 限位报警主要指的就是超程报警。引起此报警的通常原因及常规处理见下表4-15。

表4-15 “限位”报警综述

警报发生状况 限位开关动作 可能原因 处理措施 限位开关有动作（即控制轴实参照机床使用说明书际已经超程）； 进行超程解除 限位开关电路开路。 依次检查限位电路，处理电路开路故障

7. 过热报警故障 所谓过热是指伺服单元、变压器及伺服电动机等的过热。引起过热报警的原因见表4-16。

表4-16 伺服单元过热报警原因综述表

过热的具体表现 过热的继电器动作 机床摩擦力矩过大 过 热 报 警 过热原因 机床切削条较苛刻 处理措施 重新考虑切削参数，改善切削条件 改善机床润滑条件 热控开关动作 伺服电动机电枢内部短路或加绝缘层或更换伺服电动机 绝缘不良 电动机制动器不良 驱动器参数增益不当； 更换制动器 重新设置相应参数 更换轴承 更换驱动器 电动机永久磁钢去磁或脱落 更换电动机 驱动器与电动机配合不当； 重新考虑配合条件 电动机轴承故障； 驱动器故障。 电动机过热 例如：某伺服电动机过热报警，可能原因有： ① 过负荷。可以通过测量电动机电流是否超过额定值来判断。 ② 电动机线圈绝缘不良。可用500V绝缘电阻表检查电枢线圈与机壳之间的绝缘电阻。如果在1MΩ以上，表示绝缘正常。

③ 电动机线圈内部短路。可卸下电动机，测电动机空载电流，如果此电流与转速成正比变化，则可判断为电动机线圈内部短路。

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