伺服電機(jī)的常見問題和維修方法

伺服系統(tǒng)是機(jī)電產(chǎn)品中的重要環(huán)節(jié)，它能提供最高水平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和扭矩密度，所以拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，以便使系統(tǒng)性能達(dá)到一個(gè)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(zhǎng)的壽命。為了實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的更好性能，就必須對(duì)伺服電機(jī)的一些使用特點(diǎn)有所了解。

伺服電機(jī)在使用中的常見問題

問題一：噪聲，不穩(wěn)定

客戶在一些機(jī)械上使用伺服電機(jī)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生噪聲過大，電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，出現(xiàn)此問題時(shí)，許多使用者的第一反應(yīng)就是伺服電機(jī)質(zhì)量不好，因?yàn)橛袝r(shí)換成步進(jìn)電機(jī)或是變頻電機(jī)來拖動(dòng)負(fù)載，噪聲和不穩(wěn)定現(xiàn)象卻反而小很多。表面上看，確實(shí)是伺服電機(jī)的原故，但我們仔細(xì)分析伺服電機(jī)的工作原理后，會(huì)發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論是完全錯(cuò)誤的。

交流伺服系統(tǒng)包括：伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)和一個(gè)反饋傳感器(一般伺服電機(jī)自帶光學(xué)偏碼器)。所有這些部件都在一個(gè)控制閉環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)行：驅(qū)動(dòng)器從外部接收參數(shù)信息，然后將一定電流輸送給電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)換成扭矩帶動(dòng)負(fù)載，負(fù)載根據(jù)它自己的特性進(jìn)行動(dòng)作或加減速，傳感器測(cè)量負(fù)載的位置，使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)設(shè)定信息值和實(shí)際位置值進(jìn)行比較，然后通過改變電機(jī)電流使實(shí)際位置值和設(shè)定信息值保持一致，當(dāng)負(fù)載突然變化引起速度變化時(shí)，偏碼器獲知這種速度變化后會(huì)馬上反應(yīng)給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器又通過改變提供給伺服電機(jī)的電流值來滿足負(fù)載的變化，并重新返回到設(shè)定的速度。交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)響應(yīng)非常高的全閉環(huán)系統(tǒng)，負(fù)載波動(dòng)和速度較正之間的時(shí)間滯后響應(yīng)是非?？斓?，此時(shí)，真正限制了系統(tǒng)響應(yīng)效果的是機(jī)械連接裝置的傳遞時(shí)間。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單例子：有一臺(tái)機(jī)械，是用伺服電機(jī)通過V形帶傳動(dòng)一個(gè)恒定速度、大慣性的負(fù)載。整個(gè)系統(tǒng)需要獲得恒定的速度和較快的響應(yīng)特性，分析其動(dòng)作過程。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將電流送到電機(jī)時(shí)，電機(jī)立即產(chǎn)生扭矩;一開始，由于V形帶會(huì)有彈性，負(fù)載不會(huì)加速到像電機(jī)那樣快;伺服電機(jī)會(huì)比負(fù)載提前到達(dá)設(shè)定的速度，此時(shí)裝在電機(jī)上的偏碼器會(huì)削弱電流，繼而削弱扭矩;隨著V型帶張力的不斷增加會(huì)使電機(jī)速度變慢，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器又會(huì)去增加電流，周而復(fù)始。

在此例中，系統(tǒng)是振蕩的，電機(jī)扭矩是波動(dòng)的，負(fù)載速度也隨之波動(dòng)。其結(jié)果當(dāng)然會(huì)是噪音、磨損、不穩(wěn)定了。不過，這都不是由伺服電機(jī)引起的，這種噪聲和不穩(wěn)定性，是來源于機(jī)械傳動(dòng)裝置，是由于伺服系統(tǒng)反應(yīng)速度(高)與機(jī)械傳遞或者反應(yīng)時(shí)間(較長(zhǎng))不相匹配而引起的，即伺服電機(jī)響應(yīng)快于系統(tǒng)調(diào)整新的扭矩所需的時(shí)間。

找到了問題根源所在，再來解決當(dāng)然就容易多了，針對(duì)以上例子，您可以：

(1)增加機(jī)械剛性和降低系統(tǒng)的慣性，減少機(jī)械傳動(dòng)部位的響應(yīng)時(shí)間，如把V形帶更換成直接絲桿傳動(dòng)或用齒輪箱代替V型帶;

(2)降低伺服系統(tǒng)的響應(yīng)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(dāng)然，以上只是噪聲、不穩(wěn)定的原因之一，針對(duì)不同的原因，會(huì)有不同的解決辦法，如由機(jī)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(huì)是由于伺服電機(jī)本身所造成。

問題二：慣性匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量問題!

具體表現(xiàn)為：

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

2、在調(diào)試時(shí)(手動(dòng)模式下)，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前題，此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)由為突出(臺(tái)達(dá)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(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J×角加速度θ

角加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。

2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM+電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL

負(fù)載慣量JL由(以工具機(jī)為例)工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)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(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響，慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)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(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。

確定：

衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)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(jī)通過伺服電機(jī)作高速切削時(shí)，當(dāng)負(fù)載慣量增加時(shí)，會(huì)發(fā)生：

(1)控制指令改變時(shí)，馬達(dá)需花費(fèi)較多時(shí)間才能達(dá)到新指令的速度要求。

(2)當(dāng)機(jī)臺(tái)沿二軸執(zhí)行弧式曲線快速切削時(shí)，會(huì)發(fā)生較大誤差：

①一般伺服電機(jī)通常狀況下，當(dāng)JL≦JM，則上面的問題不會(huì)發(fā)生;

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

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

不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來確定。

問題三、伺服電機(jī)選型

在選擇好機(jī)械傳動(dòng)方案以后，就必須對(duì)伺服電機(jī)的型號(hào)和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。

(1)選型條件 — 一般情況下，選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況：

馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動(dòng)轉(zhuǎn)速;

馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配;

連續(xù)負(fù)載工作扭力≦馬達(dá)額定扭力;

馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時(shí)扭力)。

(2)選型計(jì)算：

慣量匹配計(jì)算(JL/JM)

回轉(zhuǎn)速度計(jì)算(負(fù)載端轉(zhuǎn)速，馬達(dá)端轉(zhuǎn)速)

負(fù)載扭矩計(jì)算(連續(xù)負(fù)載工作扭矩，加速時(shí)扭矩)

伺服電機(jī)故障維修13招

伺服電機(jī)因?yàn)殚L(zhǎng)期連續(xù)不斷使用或者使用者操作不當(dāng)，會(huì)經(jīng)常發(fā)生電機(jī)故障，維修又相對(duì)復(fù)雜的。小編收集了伺服電機(jī)發(fā)生的13種常見的故障問題的維修方法，供大家學(xué)習(xí)借鑒。

一、起動(dòng)伺服電機(jī)前需做的工作有哪些

1）測(cè)量絕緣電阻（對(duì)低電壓電機(jī)不應(yīng)低于0.5M）。

2）測(cè)量電源電壓，檢查電機(jī)接線是否正確，電源電壓是否符合要求。

3）檢查起動(dòng)設(shè)備是否良好。

4）檢查熔斷器是否合適。

5）檢查電機(jī)接地、接零是否良好。

6）檢查傳動(dòng)裝置是否有缺陷。

7）檢查電機(jī)環(huán)境是否合適，清除易燃品和其它雜物。

二、伺服電機(jī)軸承過熱的原因有哪些

電機(jī)本身：

1）軸承內(nèi)外圈配合太緊。

2）零部件形位公差有問題，如機(jī)座、端蓋、軸等零件同軸度不好。

3）軸承選用不當(dāng)。

4）軸承潤(rùn)滑不良或軸承清洗不凈，潤(rùn)滑脂內(nèi)有雜物。

5）軸電流。

使用方面：

1）機(jī)組安裝不當(dāng)，如電機(jī)軸和所拖動(dòng)的裝置的軸同軸度一合要求。

2）皮帶輪拉動(dòng)過緊。

3）軸承維護(hù)不好，潤(rùn)滑脂不足或超過使用期，發(fā)干變質(zhì)。

三、伺服電機(jī)三相電流不平衡的原因是什么

1）三相電壓不平衡。

2）電機(jī)內(nèi)部某相支路焊接不良或接觸不好。

3）電機(jī)繞阻匝間短路或?qū)Φ叵嚅g短路。

4）接線錯(cuò)誤。

四、怎么控制伺服電機(jī)速度快慢

伺服電機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dá)到使伺服電機(jī)精確定位與定速的目的。

五、觀察電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)碳刷與換向器之間是否產(chǎn)生火花及火花的程度進(jìn)行修復(fù)

1、只是有2～4個(gè)極小火花．這時(shí)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(gè)以上的極小火花，而且有1～3個(gè)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(gè)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(fù)

1、換向器表面明顯地不平整（用手能觸覺）或電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)火花如第四種情況。此時(shí)需拆卸電樞，用精密機(jī)床加工轉(zhuǎn)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(gè)木制的工具，將幾種不同粗細(xì)的水砂紙剪成如換向器一樣寬的長(zhǎng)條，取下碳刷（請(qǐng)注意在取下的碳刷的柄上與碳刷槽上做記號(hào)，確保安裝時(shí)不致左右換錯(cuò)）用裹好砂紙的木制工具貼實(shí)換向器，用另一只手按電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)軸換向器研磨。伺服電機(jī)維修使用砂紙粗細(xì)的順序先粗后細(xì)當(dāng)一張砂紙瞎得不能用后，再換另較細(xì)的砂紙，直到用完最細(xì)的水砂紙（或金相砂紙）。

七、伺服電機(jī)編碼器相位與轉(zhuǎn)子磁極相位零點(diǎn)如何對(duì)齊的修復(fù)

1、增量式編碼器的相位對(duì)齊方式

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

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

2）用示波器觀察編碼器的U相信號(hào)和Z信號(hào)；

3）調(diào)整編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸的相對(duì)位置；

4）一邊調(diào)整，一邊觀察編碼器U相信號(hào)跳變沿，和Z信號(hào)，直到Z信號(hào)穩(wěn)定在高電平上（在此默認(rèn)Z信號(hào)的常態(tài)為低電平），鎖定編碼器與電機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系；

5）來回扭轉(zhuǎn)電機(jī)軸，撒手后，若電機(jī)軸每次自由回復(fù)到平衡位置時(shí)，Z信號(hào)都能穩(wěn)定在高電平上，則對(duì)齊有效。

2、絕對(duì)式編碼器的相位對(duì)齊方式

絕對(duì)式編碼器的相位對(duì)齊對(duì)于單圈和多圈而言，差別不大，其實(shí)都是在一圈內(nèi)對(duì)齊編碼器的檢測(cè)相位與電機(jī)電角度的相位。目前非常實(shí)用的方法是利用編碼器內(nèi)部的EEPROM，存儲(chǔ)編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)軸上后實(shí)測(cè)的相位，具體方法如下：

1）將編碼器隨機(jī)安裝在電機(jī)上，即固結(jié)編碼器轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸，以及編碼器外殼與電機(jī)外殼；

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

3）用伺服驅(qū)動(dòng)器讀取絕對(duì)編碼器的單圈位置值，并存入編碼器內(nèi)部記錄電機(jī)電角度初始相位的EEPROM中；

4）對(duì)齊過程結(jié)束。

八、伺服電機(jī)維修竄動(dòng)現(xiàn)象

在進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象，測(cè)速信號(hào)不穩(wěn)定，如編碼器有裂紋;接線端子接觸不良，如螺釘松動(dòng)等;當(dāng)竄動(dòng)發(fā)生在由正方向運(yùn)動(dòng)與反方向運(yùn)動(dòng)的換向瞬間時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向問隙或伺服驅(qū)動(dòng)增益過大所致。

九、伺服電機(jī)維修爬行現(xiàn)象

大多發(fā)生在起動(dòng)加速段或低速進(jìn)給時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤(rùn)滑狀態(tài)不良，伺服系統(tǒng)增益低及外加負(fù)載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于連接松動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不同步，從而使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)忽快忽慢。

十、伺服電機(jī)維修振動(dòng)現(xiàn)象

機(jī)床高速運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過流報(bào)警。機(jī)床振動(dòng)問題一般屬于速度問題，所以應(yīng)尋找速度環(huán)問題。

十一、伺服電機(jī)維修轉(zhuǎn)矩降低現(xiàn)象

伺服電機(jī)從額定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩到高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩會(huì)突然降低，這時(shí)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繞組的散熱損壞和機(jī)械部分發(fā)熱引起的。高速時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫升變大，因此，正確使用伺服電機(jī)前一定要對(duì)電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行驗(yàn)算。

十二、伺服電機(jī)維修位置誤差現(xiàn)象

當(dāng)伺服軸運(yùn)動(dòng)超過位置允差范圍時(shí)（KNDSD100出廠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置PA17：400，位置超差檢測(cè)范圍），伺服驅(qū)動(dòng)器就會(huì)出現(xiàn)“4”號(hào)位置超差報(bào)警。主要原因有：系統(tǒng)設(shè)定的允差范圍小;伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng);位置檢測(cè)裝置有污染;進(jìn)給傳動(dòng)鏈累計(jì)誤差過大等。

十三、伺服電機(jī)維修不轉(zhuǎn)現(xiàn)象

數(shù)控系統(tǒng)到伺服驅(qū)動(dòng)器除了聯(lián)結(jié)脈沖+方向信號(hào)外，還有使能控制信號(hào)，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，常用診斷方法有：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有脈沖信號(hào)輸出;檢查使能信號(hào)是否接通;通過液晶屏觀測(cè)系統(tǒng)輸入/出狀態(tài)是否滿足進(jìn)給軸的起動(dòng)條件;對(duì)帶電磁制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī)確認(rèn)制動(dòng)已經(jīng)打開;驅(qū)動(dòng)器有故障;伺服電動(dòng)機(jī)有故障;伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)聯(lián)軸節(jié)失效或鍵脫開等。

伺服電機(jī)編碼器如此安裝，才可以減少故障

電氣安裝：

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

電氣接口：

每種電氣接口有各自的特點(diǎn)，也有不同的波特率和傳輸距離，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體的應(yīng)用環(huán)境來選擇，實(shí)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(guān)系。