交流伺服電機(jī)特性與過(guò)載檢測(cè)分析①

朱 強(qiáng), 夏 彪

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.北京發(fā)那科機(jī)電有限公司，北京 100085)

0 引 言

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行需要提供扭矩，提供的扭矩輸出是克服機(jī)床摩擦力以及切削抗力。隨著機(jī)床負(fù)載變化，伺服電機(jī)的輸出扭矩也隨之變化，當(dāng)輸出扭矩超出伺服電機(jī)的額定扭矩時(shí)，電機(jī)會(huì)發(fā)出過(guò)載報(bào)警。產(chǎn)生過(guò)載報(bào)警的因素有很多，包括機(jī)械、電氣、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等因素。在工廠現(xiàn)場(chǎng)處理過(guò)載報(bào)警的解決方案，一般是通過(guò)過(guò)載報(bào)警號(hào)，查看報(bào)警說(shuō)明，然后依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、電氣、加工程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等諸多因素進(jìn)行逐項(xiàng)排查，此種方法耗時(shí)耗力，效率低下。從伺服電機(jī)特性的角度，對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)載報(bào)警進(jìn)行檢測(cè)分析，提出具有實(shí)際參考價(jià)值的解決方案。

1 伺服系統(tǒng)控制原理

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是由伺服軸卡、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，伺服系統(tǒng)接受CNC所發(fā)出的位置指令來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定位控制，其控制方式如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)控制框圖

伺服控制系統(tǒng)的核心是位置、速度、電流的三環(huán)控制，三環(huán)控制的目的就是確保伺服電機(jī)定位及輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性。從圖1可以看出，伺服電機(jī)在數(shù)控機(jī)床中作為執(zhí)行元件，它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號(hào)的大小和極性可以改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，伺服電機(jī)編碼器，用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置，并反饋CNC進(jìn)行位置與速度的比較控制。如果電機(jī)輸入電流過(guò)大、機(jī)械負(fù)載超額、編碼器損壞等，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載報(bào)警。

2 伺服電機(jī)速度-扭矩特性分析

交流伺服電機(jī)的定子是由鐵芯和三相勵(lì)磁繞組組成，該繞組通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁體，在定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行中，是由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)提供扭矩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，提供的扭矩主要作用是克服機(jī)床摩擦力以及抵抗切削力。因此，以負(fù)載扭矩作為指標(biāo)是機(jī)床伺服電機(jī)選擇的一項(xiàng)重要指標(biāo)，F(xiàn)ANUC伺服電機(jī)的規(guī)格是以扭矩作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)格分類(lèi)，如表1所示。

表1 FANUC伺服電機(jī)規(guī)格說(shuō)明

表1中有一個(gè)重要的規(guī)格參數(shù)“堵轉(zhuǎn)扭矩”，其含義是電機(jī)從停止到運(yùn)行啟動(dòng)的一瞬間，克服機(jī)床靜摩擦力所能夠提供的扭矩輸出。機(jī)床運(yùn)行后，機(jī)械動(dòng)摩擦力變小，需要電機(jī)輸出的扭矩也隨之變小，所以只要電機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩滿足機(jī)械負(fù)荷(動(dòng)摩擦力加切削抗力)，從輸出扭矩這項(xiàng)規(guī)格上來(lái)說(shuō)，就基本滿足機(jī)械方面要求。

圖2是伺服電機(jī)速度-扭矩曲線圖，橫坐標(biāo)為速度、縱坐標(biāo)為扭矩，0速是扭矩值為2 N·m，代表電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩為2N·m，在0速到電機(jī)最高轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)，電機(jī)扭矩輸出基本保持2N·m輸出，這段區(qū)域稱之為電機(jī)的恒扭矩區(qū)，在這段區(qū)域內(nèi)，電機(jī)可以通過(guò)速度和扭矩的任意組合來(lái)連續(xù)工作而保持溫度恒定，所以稱之為伺服電機(jī)工作的“連續(xù)工作區(qū)域”。

圖2 伺服電機(jī)速度-扭矩特性圖

在連續(xù)工作區(qū)域上方的區(qū)域?yàn)殡姍C(jī)的“斷續(xù)工作區(qū)域”，主要是用來(lái)提供電機(jī)加速和異常負(fù)載情況下扭矩的輸出，此時(shí)電機(jī)最高扭矩輸出通常是堵轉(zhuǎn)扭矩的3～4倍。但這段區(qū)域扭矩輸出時(shí)，伺服電機(jī)不能連續(xù)工作，如果連續(xù)工作，電機(jī)就會(huì)持續(xù)溫升，出現(xiàn)電機(jī)發(fā)熱現(xiàn)象，系統(tǒng)就發(fā)會(huì)SV438過(guò)電流報(bào)警，因此這段區(qū)域就稱之為“斷續(xù)工作區(qū)”。在連續(xù)工作區(qū)域外，且在斷續(xù)工作區(qū)域內(nèi)，伺服電機(jī)可以在過(guò)載特性的曲線范圍內(nèi)斷續(xù)使用。

3 伺服電機(jī)過(guò)載特性分析

伺服電機(jī)過(guò)載特性表示在低速區(qū)域以超過(guò)連續(xù)工作區(qū)域的扭矩(過(guò)載扭矩)工作時(shí)，不受溫度限制(因過(guò)熱或者過(guò)電流報(bào)警引起的限制)，可以使用的時(shí)間負(fù)載和ON時(shí)間(加載時(shí)間)之間的關(guān)系。

圖3是伺服電機(jī)過(guò)載特性圖，橫坐標(biāo)代表ON時(shí)間，縱坐標(biāo)時(shí)間負(fù)載代表運(yùn)行和停止的占空比，坐標(biāo)值越高，表示電機(jī)工作時(shí)間越長(zhǎng)。所謂時(shí)間負(fù)載就是在1個(gè)周期內(nèi)扭矩負(fù)載時(shí)間所占的比率，ON時(shí)間是1個(gè)周期內(nèi)扭矩持續(xù)負(fù)載的時(shí)間，如圖4所示。

圖3 伺服電機(jī)過(guò)載特性圖

圖4 時(shí)間負(fù)載與ON時(shí)間關(guān)系圖

4 伺服電機(jī)過(guò)載報(bào)警與處理

伺服電機(jī)處于過(guò)載區(qū)，但負(fù)荷較低時(shí)，也可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，但會(huì)持續(xù)溫升，電機(jī)會(huì)發(fā)熱，在伺服電機(jī)定子線圈上，有溫度檢測(cè)熱敏電阻，可以進(jìn)行電機(jī)溫度的檢測(cè)，當(dāng)達(dá)到溫度檢測(cè)的閾值時(shí)，出現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱SV430報(bào)警。如果過(guò)載程度較高時(shí)，系統(tǒng)為防止電機(jī)出現(xiàn)較高溫升，處于保護(hù)的目的，會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)出過(guò)熱報(bào)警，但這時(shí)電機(jī)實(shí)際溫度并沒(méi)有很高，因此出現(xiàn)的報(bào)警信息為SV436電機(jī)的軟過(guò)熱報(bào)警。如果是瞬間出現(xiàn)超過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的最大電流值時(shí)，就會(huì)立即出現(xiàn)過(guò)流SV438報(bào)警，但通常情況下，如果是和負(fù)載有關(guān)的話，通常代表是電機(jī)發(fā)生高速的碰撞故障,伺服電機(jī)過(guò)載常見(jiàn)報(bào)警信息如表2所示。

表2 伺服電機(jī)過(guò)載報(bào)警

故障原因如表3所示。

表3 伺服電機(jī)過(guò)載報(bào)警故障原因

現(xiàn)場(chǎng)過(guò)載報(bào)警涉及的故障因素很多，在故障排查時(shí)，可以考慮先從電氣上入手，通過(guò)電機(jī)特性分析，能快速查找到故障原因。比如出現(xiàn)SV436報(bào)警時(shí)，可以執(zhí)行伺服初始化操作，載入伺服的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行判斷。另外，很多SV438報(bào)警是短路所引起的，很可能是因?yàn)殡姍C(jī)的絕緣特性下降造成，因此機(jī)床防護(hù)和日常的保養(yǎng)至關(guān)重要。

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床過(guò)載報(bào)警的處理是比較復(fù)雜而繁瑣的工作，從伺服電機(jī)特性的角度闡述了過(guò)載的原因，并整理了工作現(xiàn)場(chǎng)過(guò)載報(bào)警的分析解決方案, 對(duì)提高機(jī)床工作效率具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。