全面解析! | 伺服电机常见问题,故障维修13招,编码器安装...

伺服系统是机电产品中的重要环节，它能提供最高水平的动态响应和扭矩密度，所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。为了实现伺服电机的更好性能，就必须对伺服电机的一些使用特点有所了解。

伺服电机在使用中的常见问题


问题一：噪声，不稳定
客户在一些机械上使用伺服电机时，经常会发生噪声过大，电机带动负载运转不稳定等现象，出现此问题时，许多使用者的第一反应就是伺服电机质量不好，因为有时换成步进电机或是变频电机来拖动负载，噪声和不稳定现象却反而小很多。表面上看，确实是伺服电机的原故，但我们仔细分析伺服电机的工作原理后，会发现这种结论是完全错误的。

交流伺服系统包括：伺服驱动、伺服电机和一个反馈传感器(一般伺服电机自带光学偏码器)。所有这些部件都在一个控制闭环系统中运行：驱动器从外部接收参数信息，然后将一定电流输送给电机，通过电机转换成扭矩带动负载，负载根据它自己的特性进行动作或加减速，传感器测量负载的位置，使驱动装置对设定信息值和实际位置值进行比较，然后通过改变电机电流使实际位置值和设定信息值保持一致，当负载突然变化引起速度变化时，偏码器获知这种速度变化后会马上反应给伺服驱动器，驱动器又通过改变提供给伺服电机的电流值来满足负载的变化，并重新返回到设定的速度。交流伺服系统是一个响应非常高的全闭环系统，负载波动和速度较正之间的时间滞后响应是非常快的，此时，真正限制了系统响应效果的是机械连接装置的传递时间。

举一个简单例子：有一台机械，是用伺服电机通过V形带传动一个恒定速度、大惯性的负载。整个系统需要获得恒定的速度和较快的响应特性，分析其动作过程。

当驱动器将电流送到电机时，电机立即产生扭矩;一开始，由于V形带会有弹性，负载不会加速到像电机那样快;伺服电机会比负载提前到达设定的速度，此时装在电机上的偏码器会削弱电流，继而削弱扭矩;随着V型带张力的不断增加会使电机速度变慢，此时驱动器又会去增加电流，周而复始。

在此例中，系统是振荡的，电机扭矩是波动的，负载速度也随之波动。其结果当然会是噪音、磨损、不稳定了。不过，这都不是由伺服电机引起的，这种噪声和不稳定性，是来源于机械传动装置，是由于伺服系统反应速度(高)与机械传递或者反应时间(较长)不相匹配而引起的，即伺服电机响应快于系统调整新的扭矩所需的时间。

找到了问题根源所在，再来解决当然就容易多了，针对以上例子，您可以：

(1)增加机械刚性和降低系统的惯性，减少机械传动部位的响应时间，如把V形带更换成直接丝杆传动或用齿轮箱代替V型带;

(2)降低伺服系统的响应速度，减少伺服系统的控制带宽，如降低伺服系统的增益参数值。

当然，以上只是噪声、不稳定的原因之一，针对不同的原因，会有不同的解决办法，如由机械共振引起的噪声，在伺服方面可采取共振抑制，低通滤波等方法，总之，噪声和不稳定的原因，基本上都不会是由于伺服电机本身所造成。

问题二：惯性匹配

在伺服系统选型及调试中，常会碰到惯量问题!



具体表现为：

1、在伺服系统选型时，除考虑电机的扭矩和额定速度等等因素外，我们还需要先计算得知机械系统换算到电机轴的惯量，再根据机械的实际动作要求及加工件质量要求来具体选择具有合适惯量大小的电机。

2、在调试时(手动模式下)，正确设定惯量比参数是充分发挥机械及伺服系统最佳效能的前题，此点在要求高速高精度的系统上表现由为突出(台达伺服惯量比参数为1-37，JL/JM)。这样，就有了惯量匹配的问题!

那到底什么是“惯量匹配”呢?

1、根据牛顿第二定律：“进给系统所需力矩T=系统传动惯量J×角加速度θ

角加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。如果θ变化，则系统反应将忽快忽慢，影响加工精度。由于马达选定后最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。

2、进给轴的总惯量“J=伺服电机的旋转惯性动量JM+电机轴换算的负载惯性动量JL

负载惯量JL由(以工具机为例)工作台及上面装的夹具和工件、螺杆、联轴器等直线和旋转运动件的惯量折合到马达轴上的惯量组成。JM为伺服电机转子惯量，伺服电机选定后，此值就为定值，而JL则随工件等负载改变而变化。如果希望J变化率小些，则最好使JL所占比例小些。这就是通俗意义上的“惯量匹配”。

知道了什么是惯量匹配，那惯量匹配具体有什么影响又如何确定呢?

影响：

传动惯量对伺服系统的精度，稳定性，动态响应都有影响，惯量大，系统的机械常数大，响应慢，会使系统的固有频率下降，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度，惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利，因此，机械设计时在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。

确定：

衡量机械系统的动态特性时，惯量越小，系统的动态特性反应越好;惯量越大，马达的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和马达惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。例如，CNC中心机通过伺服电机作高速切削时，当负载惯量增加时，会发生：

(1)控制指令改变时，马达需花费较多时间才能达到新指令的速度要求。

(2)当机台沿二轴执行弧式曲线快速切削时，会发生较大误差：

①一般伺服电机通常状况下，当JL≦JM，则上面的问题不会发生;

②当JL=3×JM，则马达的可控性会些微降低，但对平常的金属切削不会有影响(高速曲线切削一般建议JL≦JM);

③当JL≧3×JM，马达的可控性会明显下降，在高速曲线切削时表现突出。

不同的机构动作及加工质量要求对JL与JM大小关系有不同的要求，惯性匹配的确定需要根据机械的工艺特点及加工质量要求来确定。

问题三、伺服电机选型

在选择好机械传动方案以后，就必须对伺服电机的型号和大小进行选择和确认。

(1)选型条件 — 一般情况下，选择伺服电机需满足下列情况：

马达最大转速>系统所需之最高移动转速;

马达的转子惯量与负载惯量相匹配;

连续负载工作扭力≦马达额定扭力;

马达最大输出扭力>系统所需最大扭力(加速时扭力)。

(2)选型计算：

惯量匹配计算(JL/JM)

回转速度计算(负载端转速，马达端转速)

负载扭矩计算(连续负载工作扭矩，加速时扭矩)

伺服电机故障维修13招

伺服电机因为长期连续不断使用或者使用者操作不当，会经常发生电机故障，维修又相对复杂的。小编收集了伺服电机发生的13种常见的故障问题的维修方法，供大家学习借鉴。

一、起动伺服电机前需做的工作有哪些

1）测量绝缘电阻（对低电压电机不应低于0.5M）。

2）测量电源电压，检查电机接线是否正确，电源电压是否符合要求。

3）检查起动设备是否良好。

4）检查熔断器是否合适。

5）检查电机接地、接零是否良好。

6）检查传动装置是否有缺陷。

7）检查电机环境是否合适，清除易燃品和其它杂物。

二、伺服电机轴承过热的原因有哪些

电机本身：

1）轴承内外圈配合太紧。

2）零部件形位公差有问题，如机座、端盖、轴等零件同轴度不好。

3）轴承选用不当。

4）轴承润滑不良或轴承清洗不净，润滑脂内有杂物。

5）轴电流。

使用方面：

1）机组安装不当，如电机轴和所拖动的装置的轴同轴度一合要求。

2）皮带轮拉动过紧。

3）轴承维护不好，润滑脂不足或超过使用期，发干变质。

三、伺服电机三相电流不平衡的原因是什么

1）三相电压不平衡。

2）电机内部某相支路焊接不良或接触不好。

3）电机绕阻匝间短路或对地相间短路。

4）接线错误。

四、怎么控制伺服电机速度快慢

伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位与定速的目的。

五、观察电机运转时碳刷与换向器之间是否产生火花及火花的程度进行修复

1、只是有2～4个极小火花．这时若换向器表面是平整的．大多数情况可不必修理；

2、是无任何火花．无需修理；

3、有4个以上的极小火花，而且有1～3个大火花，则不必拆卸电枢，只需用砂纸磨碳刷换向器；

4、如果出现4个以上的大火花，则需要用砂纸磨换向器，而且必须把碳刷与电枢拆卸下来．换碳刷磨碳刷。

六、换向器的修复

1、换向器表面明显地不平整（用手能触觉）或电机运转时火花如第四种情况。此时需拆卸电枢，用精密机床加工转换器；

2、基本平整，只是有极小的伤痕或火花，如第二种情况l口1以用水砂纸手工研磨在不拆卸电枢的情况下研磨。研磨的顺序是：先按换向器的外圆弧度，加工一个木制的工具，将几种不同粗细的水砂纸剪成如换向器一样宽的长条，取下碳刷（请注意在取下的碳刷的柄上与碳刷槽上做记号，确保安装时不致左右换错）用裹好砂纸的木制工具贴实换向器，用另一只手按电机旋转方向，轻轻转动轴换向器研磨。伺服电机维修使用砂纸粗细的顺序先粗后细当一张砂纸瞎得不能用后，再换另较细的砂纸，直到用完最细的水砂纸（或金相砂纸）。

七、伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的修复

1、增量式编码器的相位对齐方式

带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下：

1）用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；

2）用示波器观察编码器的U相信号和Z信号；

3）调整编码器转轴与电机轴的相对位置；

4）一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系；

5）来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。

2、绝对式编码器的相位对齐方式

绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。目前非常实用的方法是利用编码器内部的EEPROM，存储编码器随机安装在电机轴上后实测的相位，具体方法如下：

1）将编码器随机安装在电机上，即固结编码器转轴与电机轴，以及编码器外壳与电机外壳；

2）用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置；

3）用伺服驱动器读取绝对编码器的单圈位置值，并存入编码器内部记录电机电角度初始相位的EEPROM中；

4）对齐过程结束。

八、伺服电机维修窜动现象

在进给时出现窜动现象，测速信号不稳定，如编码器有裂纹;接线端子接触不良，如螺钉松动等;当窜动发生在由正方向运动与反方向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向问隙或伺服驱动增益过大所致。

九、伺服电机维修爬行现象

大多发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良，伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢。

十、伺服电机维修振动现象

机床高速运行时，可能产生振动，这时就会产生过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以应寻找速度环问题。

十一、伺服电机维修转矩降低现象

伺服电机从额定堵转转矩到高速运转时，发现转矩会突然降低，这时因为电动机绕组的散热损坏和机械部分发热引起的。高速时，电动机温升变大，因此，正确使用伺服电机前一定要对电机的负载进行验算。

十二、伺服电机维修位置误差现象

当伺服轴运动超过位置允差范围时（KNDSD100出厂标准设置PA17：400，位置超差检测范围），伺服驱动器就会出现“4”号位置超差报警。主要原因有：系统设定的允差范围小;伺服系统增益设置不当;位置检测装置有污染;进给传动链累计误差过大等。

十三、伺服电机维修不转现象

数控系统到伺服驱动器除了联结脉冲+方向信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：检查数控系统是否有脉冲信号输出;检查使能信号是否接通;通过液晶屏观测系统输入/出状态是否满足进给轴的起动条件;对带电磁制动器的伺服电动机确认制动已经打开;驱动器有故障;伺服电动机有故障;伺服电动机和滚珠丝杠联结联轴节失效或键脱开等。

伺服电机编码器如此安装，才可以减少故障






电气安装：
在现场的实际应用中，我们会在安装上遇到各种问题，包括机械方面和电气方面的，如果不注意或是做的不规范，都会影响编码器的正常使用和寿命，以下的指导说明在安装上做了详细的说明，更能有助于我们的应用体验。

电气接口：
每种电气接口有各自的特点，也有不同的波特率和传输距离，可以根据现场具体的应用环境来选择，实际传输距离与传输速率、编码器及通信线缆的安装干扰环境、接地、线缆选材等有很大关系。



电缆布线：

编码器的导线要根据参数表的电气说明来连接，不使用的导线应单独绝缘包扎或增加绝缘套，避免出现因与其他信号或电源线短接而损坏编码器。

编码器电气接线必须在完全断电的情况下进行，带电拔插连接头或电缆，极易损坏编码器。



供电电压必须在额定值的范围内，过高电压的长时间使用对编码器有损害。

供电电源电压必须稳定而波动不大，不要与高干扰元件(如变频器、电磁阀、接触器)共用电源，也可以使用滤波电源。

针对不同的使用环境，选择正确用途的电缆：

(1)拖链线槽里选择拖曳电缆，避免电缆和插座的机械破坏;

(2)加工设备上选择耐油污、冷却液、切削碎片的电缆，避免从电缆接插线和编码器外壳渗透进入;

(3)编码器通讯电缆都要选择专用的屏蔽电缆。



编码器通讯电缆在布线时，需要注意哪些

1.通讯电缆必须远离电机、变压器、变频器等严重磁场干扰设备;

2.通讯电缆必须与电源电缆、大功率电缆及高噪电缆分开铺设，最好使用屏蔽良好的金属电缆管套;

3.电柜内与其他电缆保持最小间距2cm，电柜外间距50cmz;



4.若空间受限，请使用金属隔板、金属套管及金属线槽，并保持良好接地;



5.电缆要合理布线，避免预留电缆过长，造成线槽阻塞;

6.为避免耦合干扰，应尽量减少信号电缆与功率电缆平行走线的可能;

7.电缆应尽量安排在距离金属部件近的位置，例如控制柜面板、横梁和金属导轨等;

8.必须使用金属电缆支架，并保证支架连接处导通相连接地;



元件布局：

编码器在现场安装时，不能与变频器、变压器、电磁阀等高干扰源设备装在一起，保持10cm的间距，或是加装金属隔板来隔离。

与编码器通讯的模块，在电气柜内安装时，不能与变频器、接触器等高干扰源元件或是频繁开断的开关元件安装在一起，保持3cm的间距，或是加装金属隔板来隔离。

接地保护：

电缆的屏蔽层应在信号接收端作单端接地，防止两个接地点之间的漏电流损坏电缆;

如果电缆的屏蔽线不能达到很好的接地保护，需要连接一根单独的接地线来做屏蔽;

接地长距离连接时，需要在产品外壳和接地点之间添加黄绿线，作为等电势补偿线;



屏蔽电缆必须在两端连接电气元件的金属外壳(编码器或者电柜)，并确保正确连接(大面积接触金属表面);



以上的安装指导说明供各位在现场安装和维护工作中作为参考，希望能有助于大家提高工作效率，尽早地预防故障的发生，保障编码器的正常运行。