伺服電機的常見問題和維修方法

伺服系統(tǒng)是機電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，它能提供最高水平的動態(tài)響應和扭矩密度，所以拖動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用交流伺服驅動取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進和AC變頻調速驅動，以便使系統(tǒng)性能達到一個全新的水平，包括更短的周期、更高的生產(chǎn)率、更好的可靠性和更長的壽命。為了實現(xiàn)伺服電機的更好性能，就必須對伺服電機的一些使用特點有所了解。

伺服電機在使用中的常見問題

問題一：噪聲，不穩(wěn)定

客戶在一些機械上使用伺服電機時，經(jīng)常會發(fā)生噪聲過大，電機帶動負載運轉不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時，許多使用者的第一反應就是伺服電機質量不好，因為有時換成步進電機或是變頻電機來拖動負載，噪聲和不穩(wěn)定現(xiàn)象卻反而小很多。表面上看，確實是伺服電機的原故，但我們仔細分析伺服電機的工作原理后，會發(fā)現(xiàn)這種結論是完全錯誤的。

交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅動、伺服電機和一個反饋傳感器(一般伺服電機自帶光學偏碼器)。所有這些部件都在一個控制閉環(huán)系統(tǒng)中運行：驅動器從外部接收參數(shù)信息，然后將一定電流輸送給電機，通過電機轉換成扭矩帶動負載，負載根據(jù)它自己的特性進行動作或加減速，傳感器測量負載的位置，使驅動裝置對設定信息值和實際位置值進行比較，然后通過改變電機電流使實際位置值和設定信息值保持一致，當負載突然變化引起速度變化時，偏碼器獲知這種速度變化后會馬上反應給伺服驅動器，驅動器又通過改變提供給伺服電機的電流值來滿足負載的變化，并重新返回到設定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個響應非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負載波動和速度較正之間的時間滯后響應是非常快的，此時，真正限制了系統(tǒng)響應效果的是機械連接裝置的傳遞時間。

舉一個簡單例子：有一臺機械，是用伺服電機通過V形帶傳動一個恒定速度、大慣性的負載。整個系統(tǒng)需要獲得恒定的速度和較快的響應特性，分析其動作過程。

當驅動器將電流送到電機時，電機立即產(chǎn)生扭矩;一開始，由于V形帶會有彈性，負載不會加速到像電機那樣快;伺服電機會比負載提前到達設定的速度，此時裝在電機上的偏碼器會削弱電流，繼而削弱扭矩;隨著V型帶張力的不斷增加會使電機速度變慢，此時驅動器又會去增加電流，周而復始。

在此例中，系統(tǒng)是振蕩的，電機扭矩是波動的，負載速度也隨之波動。其結果當然會是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過，這都不是由伺服電機引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是來源于機械傳動裝置，是由于伺服系統(tǒng)反應速度(高)與機械傳遞或者反應時間(較長)不相匹配而引起的，即伺服電機響應快于系統(tǒng)調整新的扭矩所需的時間。

找到了問題根源所在，再來解決當然就容易多了，針對以上例子，您可以：

(1)增加機械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機械傳動部位的響應時間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動或用齒輪箱代替V型帶;

(2)降低伺服系統(tǒng)的響應速度，減少伺服系統(tǒng)的控制帶寬，如降低伺服系統(tǒng)的增益參數(shù)值。

當然，以上只是噪聲、不穩(wěn)定的原因之一，針對不同的原因，會有不同的解決辦法，如由機械共振引起的噪聲，在伺服方面可采取共振抑制，低通濾波等方法，總之，噪聲和不穩(wěn)定的原因，基本上都不會是由于伺服電機本身所造成。

問題二：慣性匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調試中，常會碰到慣量問題!

具體表現(xiàn)為：

1、在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機。

2、在調試時(手動模式下)，正確設定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出(臺達伺服慣量比參數(shù)為1-37，JL/JM)。這樣，就有了慣量匹配的問題!

那到底什么是“慣量匹配”呢?

1、根據(jù)牛頓第二定律：“進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應該盡量小。

2、進給軸的總慣量“J=伺服電機的旋轉慣性動量JM+電機軸換算的負載慣性動量JL

負載慣量JL由(以工具機為例)工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。

知道了什么是慣量匹配，那慣量匹配具體有什么影響又如何確定呢?

影響：

傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小慣量。

確定：

衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應越好;慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。例如，CNC中心機通過伺服電機作高速切削時，當負載慣量增加時，會發(fā)生：

(1)控制指令改變時，馬達需花費較多時間才能達到新指令的速度要求。

(2)當機臺沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時，會發(fā)生較大誤差：

①一般伺服電機通常狀況下，當JL≦JM，則上面的問題不會發(fā)生;

②當JL=3×JM，則馬達的可控性會些微降低，但對平常的金屬切削不會有影響(高速曲線切削一般建議JL≦JM);

③當JL≧3×JM，馬達的可控性會明顯下降，在高速曲線切削時表現(xiàn)突出。

不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質量要求來確定。

問題三、伺服電機選型

在選擇好機械傳動方案以后，就必須對伺服電機的型號和大小進行選擇和確認。

(1)選型條件 — 一般情況下，選擇伺服電機需滿足下列情況：

馬達最大轉速>系統(tǒng)所需之最高移動轉速;

馬達的轉子慣量與負載慣量相匹配;

連續(xù)負載工作扭力≦馬達額定扭力;

馬達最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時扭力)。

(2)選型計算：

慣量匹配計算(JL/JM)

回轉速度計算(負載端轉速，馬達端轉速)

負載扭矩計算(連續(xù)負載工作扭矩，加速時扭矩)

伺服電機故障維修13招

伺服電機因為長期連續(xù)不斷使用或者使用者操作不當，會經(jīng)常發(fā)生電機故障，維修又相對復雜的。小編收集了伺服電機發(fā)生的13種常見的故障問題的維修方法，供大家學習借鑒。

一、起動伺服電機前需做的工作有哪些

1）測量絕緣電阻（對低電壓電機不應低于0.5M）。

2）測量電源電壓，檢查電機接線是否正確，電源電壓是否符合要求。

3）檢查起動設備是否良好。

4）檢查熔斷器是否合適。

5）檢查電機接地、接零是否良好。

6）檢查傳動裝置是否有缺陷。

7）檢查電機環(huán)境是否合適，清除易燃品和其它雜物。

二、伺服電機軸承過熱的原因有哪些

電機本身：

1）軸承內外圈配合太緊。

2）零部件形位公差有問題，如機座、端蓋、軸等零件同軸度不好。

3）軸承選用不當。

4）軸承潤滑不良或軸承清洗不凈，潤滑脂內有雜物。

5）軸電流。

使用方面：

1）機組安裝不當，如電機軸和所拖動的裝置的軸同軸度一合要求。

2）皮帶輪拉動過緊。

3）軸承維護不好，潤滑脂不足或超過使用期，發(fā)干變質。

三、伺服電機三相電流不平衡的原因是什么

1）三相電壓不平衡。

2）電機內部某相支路焊接不良或接觸不好。

3）電機繞阻匝間短路或對地相間短路。

4）接線錯誤。

四、怎么控制伺服電機速度快慢

伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機驅動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動電機正向或反向地轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到使伺服電機精確定位與定速的目的。

五、觀察電機運轉時碳刷與換向器之間是否產(chǎn)生火花及火花的程度進行修復

1、只是有2～4個極小火花．這時若換向器表面是平整的．大多數(shù)情況可不必修理；

2、是無任何火花．無需修理；

3、有4個以上的極小火花，而且有1～3個大火花，則不必拆卸電樞，只需用砂紙磨碳刷換向器；

4、如果出現(xiàn)4個以上的大火花，則需要用砂紙磨換向器，而且必須把碳刷與電樞拆卸下來．換碳刷磨碳刷。

六、換向器的修復

1、換向器表面明顯地不平整（用手能觸覺）或電機運轉時火花如第四種情況。此時需拆卸電樞，用精密機床加工轉換器；

2、基本平整，只是有極小的傷痕或火花，如第二種情況l口1以用水砂紙手工研磨在不拆卸電樞的情況下研磨。研磨的順序是：先按換向器的外圓弧度，加工一個木制的工具，將幾種不同粗細的水砂紙剪成如換向器一樣寬的長條，取下碳刷（請注意在取下的碳刷的柄上與碳刷槽上做記號，確保安裝時不致左右換錯）用裹好砂紙的木制工具貼實換向器，用另一只手按電機旋轉方向，輕輕轉動軸換向器研磨。伺服電機維修使用砂紙粗細的順序先粗后細當一張砂紙瞎得不能用后，再換另較細的砂紙，直到用完最細的水砂紙（或金相砂紙）。

七、伺服電機編碼器相位與轉子磁極相位零點如何對齊的修復

1、增量式編碼器的相位對齊方式

帶換相信號的增量式編碼器的UVW電子換相信號的相位與轉子磁極相位，或曰電角度相位之間的對齊方法如下：

1）用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置；

2）用示波器觀察編碼器的U相信號和Z信號；

3）調整編碼器轉軸與電機軸的相對位置；

4）一邊調整，一邊觀察編碼器U相信號跳變沿，和Z信號，直到Z信號穩(wěn)定在高電平上（在此默認Z信號的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機的相對位置關系；

5）來回扭轉電機軸，撒手后，若電機軸每次自由回復到平衡位置時，Z信號都能穩(wěn)定在高電平上，則對齊有效。

2、絕對式編碼器的相位對齊方式

絕對式編碼器的相位對齊對于單圈和多圈而言，差別不大，其實都是在一圈內對齊編碼器的檢測相位與電機電角度的相位。目前非常實用的方法是利用編碼器內部的EEPROM，存儲編碼器隨機安裝在電機軸上后實測的相位，具體方法如下：

1）將編碼器隨機安裝在電機上，即固結編碼器轉軸與電機軸，以及編碼器外殼與電機外殼；

2）用一個直流電源給電機的UV繞組通以小于額定電流的直流電，U入，V出，將電機軸定向至一個平衡位置；

3）用伺服驅動器讀取絕對編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內部記錄電機電角度初始相位的EEPROM中；

4）對齊過程結束。

八、伺服電機維修竄動現(xiàn)象

在進給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象，測速信號不穩(wěn)定，如編碼器有裂紋;接線端子接觸不良，如螺釘松動等;當竄動發(fā)生在由正方向運動與反方向運動的換向瞬間時，一般是由于進給傳動鏈的反向問隙或伺服驅動增益過大所致。

九、伺服電機維修爬行現(xiàn)象

大多發(fā)生在起動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良，伺服系統(tǒng)增益低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于連接松動或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉動不同步，從而使進給運動忽快忽慢。

十、伺服電機維修振動現(xiàn)象

機床高速運行時，可能產(chǎn)生振動，這時就會產(chǎn)生過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以應尋找速度環(huán)問題。

十一、伺服電機維修轉矩降低現(xiàn)象

伺服電機從額定堵轉轉矩到高速運轉時，發(fā)現(xiàn)轉矩會突然降低，這時因為電動機繞組的散熱損壞和機械部分發(fā)熱引起的。高速時，電動機溫升變大，因此，正確使用伺服電機前一定要對電機的負載進行驗算。

十二、伺服電機維修位置誤差現(xiàn)象

當伺服軸運動超過位置允差范圍時（KNDSD100出廠標準設置PA17：400，位置超差檢測范圍），伺服驅動器就會出現(xiàn)“4”號位置超差報警。主要原因有：系統(tǒng)設定的允差范圍小;伺服系統(tǒng)增益設置不當;位置檢測裝置有污染;進給傳動鏈累計誤差過大等。

十三、伺服電機維修不轉現(xiàn)象

數(shù)控系統(tǒng)到伺服驅動器除了聯(lián)結脈沖+方向信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。伺服電動機不轉，常用診斷方法有：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有脈沖信號輸出;檢查使能信號是否接通;通過液晶屏觀測系統(tǒng)輸入/出狀態(tài)是否滿足進給軸的起動條件;對帶電磁制動器的伺服電動機確認制動已經(jīng)打開;驅動器有故障;伺服電動機有故障;伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)結聯(lián)軸節(jié)失效或鍵脫開等。

伺服電機編碼器如此安裝，才可以減少故障

電氣安裝：

在現(xiàn)場的實際應用中，我們會在安裝上遇到各種問題，包括機械方面和電氣方面的，如果不注意或是做的不規(guī)范，都會影響編碼器的正常使用和壽命，以下的指導說明在安裝上做了詳細的說明，更能有助于我們的應用體驗。

電氣接口：

每種電氣接口有各自的特點，也有不同的波特率和傳輸距離，可以根據(jù)現(xiàn)場具體的應用環(huán)境來選擇，實際傳輸距離與傳輸速率、編碼器及通信線纜的安裝干擾環(huán)境、接地、線纜選材等有很大關系。

電纜布線：

編碼器的導線要根據(jù)參數(shù)表的電氣說明來連接，不使用的導線應單獨絕緣包扎或增加絕緣套，避免出現(xiàn)因與其他信號或電源線短接而損壞編碼器。

編碼器電氣接線必須在完全斷電的情況下進行，帶電拔插連接頭或電纜，極易損壞編碼器。

供電電壓必須在額定值的范圍內，過高電壓的長時間使用對編碼器有損害。

供電電源電壓必須穩(wěn)定而波動不大，不要與高干擾元件(如變頻器、電磁閥、接觸器)共用電源，也可以使用濾波電源。

針對不同的使用環(huán)境，選擇正確用途的電纜：

(1)拖鏈線槽里選擇拖曳電纜，避免電纜和插座的機械破壞;

(2)加工設備上選擇耐油污、冷卻液、切削碎片的電纜，避免從電纜接插線和編碼器外殼滲透進入;

(3)編碼器通訊電纜都要選擇專用的屏蔽電纜。

編碼器通訊電纜在布線時，需要注意哪些

1.通訊電纜必須遠離電機、變壓器、變頻器等嚴重磁場干擾設備;

2.通訊電纜必須與電源電纜、大功率電纜及高噪電纜分開鋪設，最好使用屏蔽良好的金屬電纜管套;

3.電柜內與其他電纜保持最小間距2cm，電柜外間距50cmz;

4.若空間受限，請使用金屬隔板、金屬套管及金屬線槽，并保持良好接地;

5.電纜要合理布線，避免預留電纜過長，造成線槽阻塞;

6.為避免耦合干擾，應盡量減少信號電纜與功率電纜平行走線的可能;

7.電纜應盡量安排在距離金屬部件近的位置，例如控制柜面板、橫梁和金屬導軌等;

8.必須使用金屬電纜支架，并保證支架連接處導通相連接地;

元件布局：

編碼器在現(xiàn)場安裝時，不能與變頻器、變壓器、電磁閥等高干擾源設備裝在一起，保持10cm的間距，或是加裝金屬隔板來隔離。

與編碼器通訊的模塊，在電氣柜內安裝時，不能與變頻器、接觸器等高干擾源元件或是頻繁開斷的開關元件安裝在一起，保持3cm的間距，或是加裝金屬隔板來隔離。

接地保護：

電纜的屏蔽層應在信號接收端作單端接地，防止兩個接地點之間的漏電流損壞電纜;

如果電纜的屏蔽線不能達到很好的接地保護，需要連接一根單獨的接地線來做屏蔽;

接地長距離連接時，需要在產(chǎn)品外殼和接地點之間添加黃綠線，作為等電勢補償線;

屏蔽電纜必須在兩端連接電氣元件的金屬外殼(編碼器或者電柜)，并確保正確連接(大面積接觸金屬表面);

以上的安裝指導說明供各位在現(xiàn)場安裝和維護工作中作為參考，希望能有助于大家提高工作效率，盡早地預防故障的發(fā)生，保障編碼器的正常運行。

審核編輯：湯梓紅