一例永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子位置檢測故障分析

梁毅孫繼

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

永磁同步電動機，因其效率高、體積小、調(diào)速性能良好得到廣泛應(yīng)用。在伺服系統(tǒng)等高精度控制的場合一般需要安裝光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器來獲得電動機轉(zhuǎn)子的準確位置。由于安裝的誤差會使位置傳感器的零位產(chǎn)生偏差，位置傳感器的零位偏差將造成轉(zhuǎn)子位置檢測的零位偏差，而電動機轉(zhuǎn)子檢測零位偏差的存在引起逆變器開關(guān)管邏輯換向錯誤，將引起不期望和不可控制的軸電流，嚴重時會造成電動機無法啟動或轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子位置零位偏差即位置傳感器的零位偏差，它是指位置傳感器相對于轉(zhuǎn)子實際位置的偏差。下面分析一例由于編碼器的安裝誤差引起的電動機非正常工作。

1 故障現(xiàn)象

一臺配套SIEMENS 802D系統(tǒng)、611Ue伺服驅(qū)動的數(shù)控銑床，Z軸移動0.62 mm時出現(xiàn)ALM380500報警，611Ue伺服驅(qū)動出現(xiàn)E－608#報警。

2 故障查找

ALM380500報警的含義是PROFIBUS DP驅(qū)動器連接出錯;E－608報警的含義是Z軸驅(qū)動器速度調(diào)節(jié)器輸出達到極限。根據(jù)機床資料要求檢查驅(qū)動器與電動機和編碼器的連接、電動機接地連接、編碼器類型及脈沖數(shù)的設(shè)定、檢查機械負載情況及更換驅(qū)動器功率模塊或控制模塊故障等等。檢查機床驅(qū)動器與電動機、驅(qū)動器與CNC的連接，確認位置反饋極性、位置反饋連接均正確。電動機編碼器與電動機的連接也沒發(fā)現(xiàn)松動。編碼器的類型及脈沖數(shù)的設(shè)定也正確。Z、Y軸共用一個雙軸驅(qū)動模塊，為了判斷驅(qū)動器是否有故障，把Z、Y軸電動機動力線及反饋線交換，結(jié)果Y軸運動正常、Z軸還是不能移動，因此排除驅(qū)動器本身故障。天車吊起主軸配重，配重鏈能自由地上下移動，因此也不懷疑除電動機外的機械故障。根據(jù)經(jīng)驗判斷，此類故障剎車不能完全松開也可能使電動機負載增大，因此沒有把電動機和機械脫開進行電動機空轉(zhuǎn)試驗，就直接把電動機從機床上拆卸下來進行電動機剎車的檢查。而檢查電動機剎車必須拆卸編碼器，電工拆卸該編碼器的時候沒有做編碼器軸與電動機軸的安裝零位標記就直接把編碼器拆卸下來。調(diào)整電動機剎車間隙使其剎車效果良好后試機，驅(qū)動器“使能”后Z軸出現(xiàn)飛車。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是編碼器安裝的零位偏差造成電動機轉(zhuǎn)子位置檢測的零位偏差引起不期望和不可控制的軸電流，造成電動機無法正常轉(zhuǎn)動。因此為了糾正較大的零位偏差，交換電動機動力線V、W兩相，驅(qū)動器“使能”后不出現(xiàn)飛車，但伺服電動機只轉(zhuǎn)動約20°后驅(qū)動器就出現(xiàn)E－608報警。把電動機與機械脫開，驅(qū)動器“使能”后電動機仍舊轉(zhuǎn)20°后出現(xiàn)E－608報警。利用Simo ComU軟件聯(lián)機觀察611Ue驅(qū)動器上伺服電動機工作電流，發(fā)現(xiàn)電動機慢慢轉(zhuǎn)動時，電動機電流不斷增大，最后突然增大超過電動機最大電流P1108設(shè)定的27 A，把最大電流增大時觀察電動機工作電流仍然超過電動機最大電流設(shè)定值。用新的電動機更換后觀察也出現(xiàn)同樣的故障。由于驅(qū)動器是好的，新的電動機也不應(yīng)該有問題，問題出在哪兒呢?分析并回憶維修過程發(fā)現(xiàn)有可能是驅(qū)動器與電動機間的相序不對造成。把電動機動力線還原，使其與驅(qū)動器的相序一一對應(yīng)，試機電動機工作正常。再利用Simo ComU軟件聯(lián)機觀察611Ue驅(qū)動器上伺服電動機工作電流，實際電流只有1 A左右，因此相序錯誤造成新電動機非正常工作。把新電動機與Z軸絲杠連接，Z軸移動0.62 mm后驅(qū)動器又出現(xiàn)E－608報警。再次讓電動機脫開機械，Z軸工作正常，因此機械有故障。鉗工經(jīng)過分析檢查發(fā)現(xiàn)主軸配重的拖鏈軸承因滾珠研碎卡死不轉(zhuǎn)。更換該軸承后，故障全部排除。下面分析編碼器安裝的零位偏差造成的電動機非正常工作的原因。

3 故障原因分析

該電動機型號為1FT6105－8AB71－3AH1，是自控變頻永磁同步電動機，其轉(zhuǎn)子位置傳感器為2048線正弦型增量編碼器ERN1378。由永磁同步電動機的工作原理可知，定子電樞反應(yīng)磁場軸線必須時刻跟隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并保持與轉(zhuǎn)子的磁極軸線垂直，只有在這樣的條件下，電動機軸才能輸出與電流成正比的電磁轉(zhuǎn)矩。事實上，驅(qū)動控制器一邊每時每刻從電動機軸上獲取轉(zhuǎn)子位置信號，用該轉(zhuǎn)子位置信號控制著逆變器功率開關(guān)元件的觸發(fā)順序，一邊從直流母線上逆變出三相交流電壓，使電動機中的三相電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線正交且同步旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子位置傳感器是使永磁交流伺服電動機正常工作不可缺少的元件。只有合理的控制逆變器的觸發(fā)順序，才能使相電流和激磁電勢的相位保持同步。自控變頻永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置檢測原理如圖1。

電工調(diào)整電動機的剎車后編碼器的電氣零位與轉(zhuǎn)子的零位發(fā)生變化，使逆變器的功率元件觸發(fā)順序錯亂，電動機中的三相電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線不能正交并保持同步旋轉(zhuǎn)，因此不能使電動機正常工作，出現(xiàn)電動機的飛車現(xiàn)象。為了避免電動機出現(xiàn)飛車，把電動機動力線交換V、W兩相后不出現(xiàn)飛車。雖然不出現(xiàn)飛車但電動機只能轉(zhuǎn)20°左右，驅(qū)動器便出現(xiàn)報警。其原因是驅(qū)動器輸出的三相動力線與電動機動力線的連接不是一一對應(yīng)的相序造成。UVW三相動力線與驅(qū)動器的UVW三相接線端子之間的可能連接關(guān)系共有六種，以驅(qū)動器接線端的UVW順序為正確接入相序，則電動機動力線接入驅(qū)動器端子后，包括一一對應(yīng)的“正常接入相序”電動機UVW對驅(qū)動器UVW在內(nèi)，根據(jù)排列組合，共有6種可能的接入順序，分別為電動機的UVW，UWV，VWU，VUW，WUV，WVU動力線對驅(qū)動器的UVW端子，因此驅(qū)動器的U、V、W端子有可能分別被接入了電動機的U或V或W相動力線。由于電動機的動力線上的反電勢相位代表了電動機的實際電角度，而驅(qū)動器的UVW端子的輸出電壓電流波形間的相位取決于電動機編碼器相位所表示的確定相序的電角度。因而，在電動機動力線的UVW相與驅(qū)動器的UVW端子之間的對應(yīng)關(guān)系不同時，就會出現(xiàn)驅(qū)動電壓電流波形相位與電動機反電勢相位之間的偏差。如果U－V－W正常接入相序，電角度偏移量為0，電角度增量為+Δθ，后續(xù)電角度可表示為+Δθ。此時伺服控制始終處于完全正交解耦的最佳狀態(tài)，伺服系統(tǒng)正常工作。如果不是U－V－W相序接入，則電動機電角度偏移量不為0，電動機電角度增量方向可能與驅(qū)動的逆轉(zhuǎn)方向一致，從而導(dǎo)致電動機進入正反饋區(qū)或者使電動機稍動后鎖死。電動機的驅(qū)動電流都會很快達到最大，直至出現(xiàn)過流或過載故障，引起停機。舊的電動機的剎車被調(diào)整后出現(xiàn)了飛車，這就是由于編碼器安裝的零位偏差引起電動機進入正反饋區(qū)，而調(diào)換電動機相序后，則電動機稍動后因過流鎖死。因此只有一一對應(yīng)的“正常接入相序”電動機UVW對驅(qū)動器UVW，且編碼器檢測轉(zhuǎn)子無零位偏差，電動機才能正常工作。

后來還原電動機相序并經(jīng)過多次調(diào)整編碼器的安裝角度后，電動機空載時可以自由旋轉(zhuǎn)，但帶機械負載還是不能正常工作。原因是沒有實驗條件調(diào)整編碼器，使其與轉(zhuǎn)子零位偏差為零，因此只有使用新電動機。

4 結(jié)語

由上述維修過程可知伺服驅(qū)動器報同樣E－608報警，前后的故障原因是不同的，開始是主軸配重拖鏈軸承損壞引起的機械負載過大引起;而電動機剎車被調(diào)整后驅(qū)動器出現(xiàn)E－608報警是由于編碼器與電動機轉(zhuǎn)子的固定電氣零位發(fā)生改變和電動機相序的改變所致。因此自控變頻同步電動機維修要注意以下幾點:①驅(qū)動器和電動機動力線間的一一對應(yīng)的UVW相序不能改變。②電動機和機械脫開時一定要做電動機的空載實驗確認電動機剎車是否真的沒松開，以避免盲目拆卸電動機而使故障擴大。③在確認拆卸編碼器時一定要做好安裝標記，以免編碼器與轉(zhuǎn)子的電氣零位發(fā)生變化導(dǎo)致電動機的非正常工作。