FANUC Alpha系列伺服電機和伺服放大器結構和維修方法

1、FANUC Alpha系列伺服電機和伺服放大器結構和維修方法(1)1. FANUC 的交流伺服電機與直流伺服電機相比，交流伺服伺服電機具有免維護，低損耗，體積小的特點，在現(xiàn)代控制領域已經(jīng)逐步取代了直流伺服電機，交流伺服電機被廣泛地應用到各個控制領域，F(xiàn)ANUC 從80年代開始逐步使用交流伺服電機，從開發(fā)應用到目前被廣泛使用的Alpha 系列伺服電機，經(jīng)過了三代的更新，從模擬的交流控制單元驅動的伺服電機，到S系列電機，從而又發(fā)展成為現(xiàn)在使用的交流Alpha 系列伺服電機，從伺服電機的性能上得到了提高，而電機的體積更小，特別是現(xiàn)在使用的Alpha 系列的伺服電機，電機的型號更全，并采用了磁更強的材

2、料，伺服電機的反饋使用了高速高精度的串行位置編碼器，可以適用于各種不同的絲杠而不需要選定編碼器的線數(shù)，并且該系列具有標準系列，小慣量系列，中慣量系列，經(jīng)濟型的AC系列和高壓（380V）的HV系列電機等。請參考下表：(1) 交流伺服電機的結構目前，在控制領域中所采用的交流伺服電機一般為同步電機（無刷直流電機），電機主要由三部分組成，即：定子，轉子，和檢測元件構成，其中定子與普通的交流感應電機基本相同，主要有定子沖片，三相繞組線圈，另外還有支撐轉子前后端蓋和軸承等組成，伺服電機的轉子主要由多對極的磁鋼，定子沖片和電機軸構成，檢測元件由安裝在電機尾端的位置編碼器構成，目前Alpha系列的電機的編碼器

3、使用的是串行脈沖編碼器，由于電機的激磁必須和轉子的磁極位置垂直，所以電機的位置反饋要能夠把電機的磁極位置反饋給伺服系統(tǒng)，用以產(chǎn)生交流伺服電機的激磁的矢量控制。電機的結構如圖4-1所示。 圖4-1 交流伺服電機的結構交流伺服電機的工作原理實際上與電磁式的同步電機類似，只不過磁場不是由轉子中的激磁繞組產(chǎn)生，而是由作為轉子的永久磁鐵產(chǎn)生，當定子三相繞組通上交流電源后，電機中就會產(chǎn)生一個旋轉的磁場，該磁場將以同步轉速Ns旋轉。根據(jù)磁場的特性，定子的旋轉磁極總是要和轉子的旋轉磁極相互吸引，并帶著轉子一同地轉動，使定子磁場的軸心線與轉子磁場的軸心線保持一致，形成電機的旋轉扭矩。一旦由于負載的扭矩發(fā)生變化，

4、就會造成磁場的軸線和轉子的軸線發(fā)生變化，但總是不超過一定的限度，所以電機的速度就會以Ns=60f/p旋轉。作為同步電機由于電機的轉子慣量、定子和轉子之間的轉速差等因素的影響，經(jīng)常會造成電機啟動時的失步，為了保證定子和轉子之間總是處于一定的同步狀態(tài)，在電機的后面的編碼器都增加了確定轉子位置的絕對位置編碼器，F(xiàn)ANUC的電機中使用的是4位格林碼絕對位置編碼器用于確定轉子信息。2. 交流伺服控制的原理要清楚0系統(tǒng)所使用的交流伺服控制系統(tǒng)，就必須要從最基本的交流（模擬）伺服系統(tǒng)的控制原理開始，雖然目前FANUC所應用的都是Alpha系列伺服放大器，伺服的控制已經(jīng)完全數(shù)字化，其伺服控制的結構已經(jīng)完全軟件

5、化了，直接來對其進行分析，比較困難，但是，其基本的結構和原理都源于模擬的交流伺服控制結構，所以，這里我們首先要了解一下模擬的交流伺服系統(tǒng)的控制結構。圖4-2位置環(huán)控制框圖和圖4-3速度控制單元控制框圖描述了作為伺服控制的主要控制結構。(1) 位置環(huán)的控制原理 圖4-2 位置環(huán)控制框圖位置控制作為數(shù)控系統(tǒng)的主要控制工作之一，決定著系統(tǒng)進行位置控制性能優(yōu)略，位置環(huán)作為伺服控制系統(tǒng)的最外環(huán)，以位置指令作為控制對象，在FANUC0系統(tǒng)中，位置環(huán)控制系統(tǒng)是在系統(tǒng)內(nèi)部來完成的，為了提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，F(xiàn)ANUC采用了大規(guī)模集成電路芯片（LSI），每一個控制軸需要1片，該芯片使用先進的加工工藝，大大地

6、降低了芯片的溫升。該芯片功能強大，包括了插補器、位置誤差計數(shù)器、D/A轉換器、參考計數(shù)器、螺距誤差補償，反間隙補償、增益計算、脈沖編碼器鑒相器、用于感應同步器的鑒相和正弦余弦發(fā)生器電路等。在圖4-2中，簡要地描述了位置控制的基本結構，其中包括了位置控制芯片LSI的部分內(nèi)容，首先系統(tǒng)的位置指令通過總線給LSI中的插補器，插補器會產(chǎn)生一系列指令脈沖，該指令脈沖經(jīng)過CMR乘積后輸出到位置誤差計數(shù)器中，而電機反饋的脈沖編碼器的脈沖經(jīng)過方向鑒別電路以后也處理成了一系列脈沖，該脈沖經(jīng)過檢測被乘比乘積后也輸出到位置誤差計數(shù)器中，該位置誤差計數(shù)器為一雙向計數(shù)器，該計數(shù)器用于積分計算，當指令與反饋的差增大時，該

7、計數(shù)器的數(shù)值增大，當指令與反饋的差減小時，該計數(shù)器的數(shù)值減小，計數(shù)器的差值與環(huán)增益的乘積即為速度環(huán)的速度指令，該指令經(jīng)D/A轉換后，作為速度控制單元的速度指令模擬信號（Vcmd）。而實際上位置環(huán)的處理中包括了絲杠反間隙和螺距誤差補償信號。在位置控制LSI中也包括了用于柵格回零的參考計數(shù)器控制電路，該電路用于確定坐標的機械零點控制。在位置環(huán)控制中最關鍵的部分是誤差計數(shù)器，該計數(shù)器的值會反映系統(tǒng)的指令和電機的運行情況，該值的大小可以通過系統(tǒng)的診斷來觀察，診斷的號碼為DGN 800 （X）、DGN801（Y）、DGN802（Z）、DNG803（4），因為該計數(shù)器的輸出為速度環(huán)的指令，所以該值決定了電

8、機的速度。伺服環(huán)增益：PRM 517 0.01/SecDMR：PRM 004007除了位置控制的電路以外，PRDY伺服準備信號、VRDY伺服準備完成信號和ENBL用于系統(tǒng)監(jiān)測和控制速度控制單元的狀態(tài)，當系統(tǒng)的電源打開后，系統(tǒng)在伺服的初始化過程中，會發(fā)出PRDY信號，速度控制單元如工作正常則會發(fā)回一個VRDY信號，作為速度單元工作正常的回答，系統(tǒng)則進入正常工作狀態(tài)。一旦沒有接收到VRDY信號，則系統(tǒng)酒會發(fā)生ALM#401報警，詳見圖4-3所示。 圖4-3 伺服準備的時序(2) 交流速度控制單元（模擬）交流速度控制單元包括了伺服控制的電流環(huán)和速度環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)，它將位置環(huán)發(fā)出的Vcmd指令經(jīng)過運

9、算和放大后，驅動三相變頻橋組產(chǎn)生與電機轉子相對應的交流旋轉磁場，該旋轉是電機的轉子產(chǎn)生旋轉扭矩。圖4-4 描述了速度控制單元的基本結構。 圖4-3 速度控制單元控制框圖 在圖4-3的框圖中，可以大致分為兩部分，其中上邊為速度單元的控制部分，下部分為速度控制單元的動力變頻部分，在控制部分中主要是由速度誤差放大器、R/S相的電流指令發(fā)生電路、三相R/S/T電流環(huán)的調節(jié)器電路、PWM脈寬調制電路、三極管的各相的隔離卻動電路以及編碼器鑒相電路和三角波發(fā)生器電路組成。 控制部分中，速度指令Vcmd和速度反饋信號TSA都輸入到誤差放大器當中，經(jīng)過誤差放大器的補償后作為控制電機的電流（扭矩）指令，由于交流伺服電機要根據(jù)轉子的位置產(chǎn)生交流的旋轉磁場，所以轉子位置檢測電路根據(jù)位置編碼器來的信號C1C8和PCA和PCB而產(chǎn)生的R/T相的電流指令，該電流指令再和電機的動力線的R/T相電流相減后輸送到電流環(huán)的調節(jié)器（電流指令）中，該部分即輸出了三相的電流指令，該指令經(jīng)過三角波調制后產(chǎn)生了用于驅動六個三極管的PWM脈沖信號，該信號再經(jīng)過隔離后用于驅動（A-F）。動力變頻部分