搞明白了伺服电机的三种控制方式

交流伺服系统是以交流伺服电动机为控制对象的自动控制系统，它主要由伺服控制器、伺服驱动器和伺服电动机组成。交流伺服系统主要有3种控制模式，分别是位置控制模式、速度控制模式和转矩控制模式 。在不同的模式下，系统工作原理略有不同。交流伺服系统的控制模式可通过设置伺服驱动器的参数来改变。

一、位置控制模式

当交流伺服系统工作在位置控制模式时，能精确控制伺服电动机的转数，因此可以精确控制执行部件的移动距离，即可对执行部件进行运动定位控制。

图1

交流伺服系统工作在位置控制模式的组成结构如图1所示。伺服控制器发出控制信号和脉冲信号给伺服驱动器，伺服驱动器输出U、V、W三相电源电压给伺服电动机，驱动电动机工作，与电动机同轴旋转的编码器会将电动机的旋转信息反馈给伺服驱动器，如电动机每旋转一周编码器 会产生定数量的脉冲送给驱动器。伺服控制器输出的脉冲信号用来确定伺服电动机的转数，在驱动器中，该脉冲信号与编码器送来的脉冲信号进行比较，若两者相等，表明电动机旋转的转数已达到要求，电动机驱动的执行部件已移动到指定的位置。控制器发出的脉冲数越多，电动机会旋转更多的转数。伺服控制器可以是PLC，定位模块，嵌入式运动控制板等。

二、速度控制模式

当交流伺服系统工作在速度控制模式时，伺服驱动器无需要输入脉冲信号也可以正常工作，故可以取消伺服控制器，此时的伺服驱动器类似于变频器，但是由于驱动器能够接收伺服电动机的编码器送来的转速信息，不但能够调节电动机的转速，还能够让电动机转速保持稳定。

图2

交流伺服系统内工作在速度控制模式的组成结构如图2所示。伺服驱动器输出U、V、W三项电源电压给伺服电动机，驱动电动机工作，编码器会将伺服电动机的旋转信息反馈给伺服驱动器。电动机旋转速度越大，编码器反馈给伺服驱动器的脉冲频率就越高。操作伺服驱动器的有关输入开关，可以控制伺服电动机的气动、停止和旋转方向等。调节伺服驱动器的有关输入电位器，可以调节电动机的转速。伺服驱动器的输入开关、电位器等输入信号可以是PLC，单片机等。

三、转矩控制模式

当交流伺服系统工作在转矩控制模式时，伺服驱动器无需输入脉冲信号也可正常工作，故可以取消伺服控制器，通过操作伺服驱动器的输入电位器，可以调节对的输出转矩。

交流伺服系统工作在转矩控制模式的组成结构如图3所示。

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变频、步进、伺服驱动器故障维修实例

NEC ASU40/30双轴驱动器失效

故障 ：启动电源按钮后，伺服驱动板无直流动力电源，CNC显示报母线电压低，系统关断XY驱动电路的电源接触器。

检修 ：现场试验启动电源时，XY驱动电路三相220VAC动力电源供电接触器吸合一下，但不一会就跳开，CNC屏幕显示undervoltage，电压低报警，实际检测没有母线电压。经查，三相220VAC电源其中两根线通过一个继电器的常开触点接到一个三相整流桥，同时还接到两个小功率二极管，其中一个二极管串联一个电感后连一个450V/3.3μF电容，在电容上产生一个电压，此电压引入到一个比较器LM393的正向输入端，如果电压足够，比较器翻转输出高电平，去控制一个IGBT的门极，从而将整流后的直流引到XY轴驱动IGBT的P、N端。如图6.20所示。

图6.20　双轴驱动器电路板

图6.20　双轴驱动器电路板

用测试仪在线检查电容， VI 曲线已经严重畸变，实测电容量为2μF左右，拆下电容，发现电容引脚有锈蚀痕迹。以上说明此电容已经失效，不能产生一个正确的电压使比较器控制轴驱动器得电，从而系统检测电压不足，自关断接触器保护动作。更换同规格电容后，驱动器装上通电，一切正常。

安川CIMR-VMW2015变频器运行一段时间报过流

故障 ：此变频器为一日系车床的主轴驱动变频器，用户自述车床开启数小时内可以正常工作，但时间一久，变频器就会报过流。

检修 ：此变频器使用15年以上，根据故障情况不难联想极有可能为电解电容失效引起的故障。变频器分为电源板、主控板、驱动板和模块几部分，电源板上有10个电容，测 VI 曲线，椭圆正常，容量也未下降。驱动板上有12个厚膜电路，每个厚膜电路外接1个22μF/25V电解电容，在线测试仪测 VI 曲线，其中3个椭圆曲线严重歪斜。推测冷机时，电解电容尚保持一定的容量，通电时间一久，内部发热使得容量严重下降，ESR迅速增加，电容参数恶化，不能提供给相应的厚膜驱动电路正确的电压，导致模块被错误驱动，电流很大，触发系统过流报警。维修前用户使用不到一个小时就过流报警，将驱动板上12个22μF/25V 电容全部更换后，用户使用两天内未见故障重现，视为修复。

FANUC伺服驱动器不能修改参数

故障 ：一台FANUC型号伺服驱动器，用户试图修改参数时，反映不能读出参数，交某专业维修公司数次维修也未能修好，送至我公司尝试再次维修。

检修 ：观察驱动器板有一枚外接3.6V锂电池，顺电池正极电压去向找到相应的芯片，发现是通过一个二极管接到一个74HC00的电源端。整机未通电时，74HC00电源脚14脚也有3V以上电压，通电后5V电压加到14脚，二极管截止，电池不输出电流给其他元件。74HC00的与非逻辑输出脚与板上RAM芯片的片选信号线相连，参数就存在这个RAM芯片内，这个信号与参数能否读写相关。因为74HC00的正常工作电压可以低至2V，所以整机不通电时测74HC00的各输入输出脚电压，应符合与非门逻辑。实际测量时有一个与非门不符合，本应输出高电平，实测0.1V为低电位。发现74HC00曾被取下过。用热风枪吹下，使用程序烧录器的逻辑芯片测试功能，发现能够通过测试，遂重新焊回板上，复测电压逻辑还是不对。检查对应脚位的元件连接网络，未发现短路，用洗板水清洗芯片及周边部位电路板，确保不因腐蚀杂质引起漏电而导致逻辑错误，经过以上处理后，复测发现芯片还是逻辑错误。无奈再将74HC00拆下，用万用表测各脚对GND脚电阻，发现4个与非门的某一个门的对地电阻只有9kΩ，而其他三个门对地电阻有数百千欧姆且一致，说明74HC00内部有异常，更换新的74HC00芯片，复测逻辑完全正常。交用户试机，用户可以读出芯片参数，但参数已乱，找一样机型的驱动器对照重新输入参数，机器工作正常。

FANUC伺服驱动器风扇故障报警

故障 ：一台FANUC型号伺服驱动器数码管显示XX，查故障代码对应的故障解释为：风扇故障。用户更换相同风扇后，通电，故障依旧。

检修 ：将风扇插头拔掉，取出风扇，通24VDC测试电压，风扇转动正常，电源电流与风扇标称一致。同时将数字万用表置二极管挡，红表笔接三线风扇的检测线，黑表笔接负极，测风扇内部检测电路OC门(集电极开路)晶体管截止和导通情况。实测通电时，二极管挡显示0.6V检测线对地导通，不通电时显示截止，说明风扇正常。顺着风扇检测线检查，此线从端子接入到主控板，然后通过主控板和驱动板之间的桥接小板接到逻辑芯片74HC14的某个输入端，经缓冲放大后接CPU的I/O口，如果此信号为低电平，则CPU判断风扇正常，高电平则报警。万用表测风扇信号检测端到74HC14输入端，直通正常。万用表测74HC14各脚位对地电阻，未见短路。伺服驱动器只通控制部分的电源，万用表测风扇输出脚对地电压始终有19V。顺着风扇的信号检测线检查，无意中测得信号线对+24V电源端只有二十几欧姆的阻值，发现在主板和驱动板之间的连接小板上有一处相邻焊盘的短路，将短路点清理后，通电复测信号检测线的对地电压为0V，故障修复。驱动器连接小板见图6.21。

图6.21　驱动器连接小板

纱厂纱锭卷绕电机驱动器失效

故障 ：某型德国设备PAPST电机驱动器VARIOTRONIC驱动电机力矩不够，用手能轻易止动，不能卷绕纱锭。

检修 ：此板为小功率的三相电机驱动控制板，原理与常见变频器的驱动部分颇相似，只是因为电压低功率小，没有使用变压器、光耦等元件。电路板实物如图6.22所示。

图6.22　纱锭卷绕电机驱动器

万用表测试了上下桥的各驱动管，正常，测试了所有电阻都正常，更换了所有IC，故障依旧，至此维修陷入困境，无奈向用户讨要另一块好板遂将两块相同的电路板(一块坏板，一块好板)通上24VDC电压，电流都是70mA左右。测试各点直流静态对地电压，发现坏板某节点同好板电压不一样，好板有10V，坏板只有2.1V，此节点有一个340kΩ的上拉电阻，电阻上端接24V，下端连接0.1μF的小电容到地，坏板此节点电压如此之低，怀疑小电容漏电，拆下小电容，检查并无明显漏电，遂将其更换，节点电压恢复10V。交用户试机，驱动器力矩恢复正常。

西门子伺服驱动板报Intermediate Circuit Voltage Error故障

故障 ：用户一台西门子伺服驱动器报Intermediate Circuit Voltage Error(中间电路电压错误)，经调换试机，确定故障在驱动板，驱动板如图6.23所示。

图6.23　西门子伺服驱动器板

检修 ：万用表粗略检测整流桥、电阻、二极管、大电容基本正常;使用在线测试仪检测控制部分各小电解电容， VI 曲线正常。控制板上有四个棕色高频变压器，这是西门子典型的驱动光耦开关电源供电变压器，原理是这样的：前级由15VDC输入电压经振荡开关电路产生高频方波脉冲加至各高频变压器的初级线圈，在各变压器次级线圈感应出的高频电压经整流、滤波后得到各驱动光耦所需的电源。将维修DC可调电源调整至15V，加入电路板相应端子，测变压器次级线圈输出端的滤波电容两端电压，+20V及-12V正常，示波器测量直流无纹波，滤波良好。

在用万用表电阻挡测量连接主控板排线端子旁边的电容时，发现有一个47μF的电解电容C4两端电阻只有60Ω，如图6.24所示。根据经验，一般的控制电路电源电容两端电阻至少有100Ω以上，连接的芯片很多时(几十个，而且总有密脚的大规模集成电路)才可能电源两端的电阻很小，如电脑主板3.3V两端通常在10Ω以下，但此板并无很多芯片，说明某处存在短路。观察此电容的连线走向，发现有一个运算放大器082C的正电源是由C4上的电压串联47Ω电阻R102后加到第8脚，R102明显有烧黑的痕迹，说明此电阻曾经通过的电流比较大。万用表在线测量其旁边的小贴片电容C10，只有10多欧姆，焊下C10再量其两端阻值为12Ω，已经短路，此时再量电解电容C4两端电阻为2.2kΩ。至此可以定位故障原因：C10短路把运算放大器082C的正电源电压拉低，从而使得电压检测电路出现错误，导致报警。取1个100nF 1206封装的贴片电容替换短路电容，并将R102(47Ω)更换，电路板修复成功。

图6.24　西门子伺服驱动器板故障点

SANYO驱动器报逻辑错误

故障 ：用户反映，一台CNC数控加工中心使用的sanyo驱动器与主机通信相连，主机指示该驱动器有逻辑错误。

检修 ：电路板逻辑错误报警，一般是指检测到的数据超出规定范围的其中某一种错误，总之是属于数字电路范畴的故障。此类故障报警，视乎电路板故障的具体部位，指出的报警名称会有所不同，如编码器检测数据有问题就报“编码器错误”，通信问题会报“通信错误”或“通信超时”，如果CPU判断不了错误来源，就会笼统地报“逻辑错误”。

通过调换驱动器的可拆卸部件，故障定位在一块驱动板上，如图6.25所示。此板除了6个驱动光耦芯片PC923之外，还有几个高速光耦，标记为611，其型号为HCPL-0611，另有两个SANYO定制的芯片SD1008，网上也查不到资料，不知是做什么用途，此外板上再无其他数字芯片。如果是驱动光耦PC923坏了，驱动器应该报过流过载之类的故障，而不会报逻辑错误，因此排除驱动光耦损坏的可能性。故障可能性集中在芯片SD1008和两个HCPL-0611相连接的系统里，板上包含两组完全对称的系统。我们循着板上线路检查，分析发现SD1008是用于UVW三相其中两相的电流测量的，电流通过串联在回路中的MΩ级大功率电阻，产生一个跟电流成正比的电压降，此电压送往芯片SD1008处理，当程序需要检测电流时，CPU板会发送串行数据指令经光耦PC14和PC16隔离传送给SD1008，SD1008将检测到的电压数据以串行的方式经光耦PC13和PC15返回CPU板，因而CPU就知道电流的大小了。

图6.25　SANYO驱动器驱动板

为了验证故障在哪一个元件，我们可以通电让此系统模拟工作起来。将电源板与此板连接，电源板通电后检测板上各芯片所需工作电压正常，取信号发生器，将信号调至5V 500Hz方波输出，将方波信号串联电阻加至光耦PC14及PC16的输入端，用示波器检测另两个光耦PC13及PC15的输出端，发现PC13没有信号波形输出，然后检测PC13也没有输入信号，然后检测PC14没有输出信号，PC14有输入而没有输出，说明光耦功能已经损坏。更换该光耦，复测各路信号正常。驱动器装配复原，交给用户试机，再无“逻辑错误”报警出现。

PARKER步进电机驱动板故障

故障 ：一台生产线使用的PARKER步进电机驱动器，用户反映该驱动器能使用一段时间，但不知什么时候就出现一次错误报警而停机。

检修 ：时好时坏故障一般怀疑电解电容的问题，但检查机器电源部分的电容，发现并无异常，因为机器也能工作一段时间，基本上大功率驱动部分也不必过分纠结。重点检查控制部分，发现此机先前有被维修过，所有IC都有人为加装IC座，机器一段时间能够正常工作，则IC也应该都是好的，时好时坏故障由IC引起还未见过，所以也不考虑IC损坏的问题。那是不是IC和IC座有时接触不好引起?将IC拔出并重新插入，主观感觉一下接触是否可靠，同时拔下IC时观察IC的引脚，看看是否有锈蚀氧化情况。发现一个CD4025BE引脚氧化严重，把IC重新插入座子后，万用表测量IC脚和座子引脚的接触电阻约10几欧姆，将IC引脚氧化层用刻刀刮干净，IC插入重新测试接触电阻0.1Ω，为防接插不紧IC振松，使用热熔胶将所有IC和IC座点一下。处理后交用户试机，反映再无故障出现。步进电机驱动板如图6.26所示。

图6.26　步进电机驱动板

松下驱动器报过流故障

故障 ：一台松下伺服驱动器一运行就报过流。

检修 ：拆开机器，寻找电流检测部分，看到白色的A7800隔离放大器就明白一二。马上拆下测试，发现放大功能并无异常。如图6.27所示。给电路板通上电源，测试两个一模一样的A7800的电源脚，发现有一个A7800的5、8脚电源1.3V，正常应该5V左右。循电源脚查找，找到背面，如图6.28所示，芯片5、8脚电压乃是12V电压串联680Ω电阻和5.1V的稳压管得到，发现R38两端电阻竟有十几千欧姆，此电阻肯定损坏。拆下电阻，发现此贴片电阻的银脚已经开裂，造成电阻开路损坏。找相同规格电阻更换，上电复测A7800的电源5.2V，恢复正常，用户试机，反映故障排除。

图6.27　伺服驱动器电流检测部分

图6.28　电阻开路引起故障

贴片机步进电动机驱动器故障

故障 ：一贴片机显示界面报警，提示搬运电动机驱动器异常，主机不能与之通信，用户反映驱动板的POWER指示LED时亮时不亮。

检修 ：观察控制板，发现5V电源是由48V经PWM稳压芯片SI-8010GL控制后输出8V，再经7805稳压得到。将48V电源加入控制板，刚刚接上电源，发现POWER LED可以点亮，但十几秒钟后熄灭，然后不定什么时候又点亮，然后又熄灭，如此循环。测量各关键点电压，POWER LED亮时，7805输入电压8V，7805输出5V，正常，POWER LED灭时，7805输入端量不到电压。电路板如图6.29所示。

图6.29　贴片机搬运电动机控制板

查PWM芯片SI-8010GL的数据手册，发现2脚是芯片的使能端，高电平时，该芯片才可以允许有PWM波输出，该板芯片2脚接了一个1nF的电容到地，这样接法有软启动的作用，这类似于单片机的复位电路，如图6.30所示，刚刚通电时，电容相当于对地短路，芯片没有输出，芯片内部慢慢给电容充电，电容电压逐渐升高，到某个门限电压时，芯片开始PWM波形输出，这样可以减少电路冲击，有助于电路的工作稳定。

图6.30　软启动电路

万用表检测2脚对地电压，发现随着POWER LED亮起和熄灭，2脚电压在5.8V和1.2V之间变化，怀疑软启动电容或者芯片SI-8010GL损坏。将软启动电容C30更换，更换时将C30周边电路板清洗干净，再通电试机，发现POWER LED再无熄灭，各电压正常。

LINCOLN自动焊机驱动板无输出维修

故障 ：LINCOLN自动焊机无输出，经更换确认是IGBT驱动板问题。

检修 ：检测IGBT驱动管及前级变压器信号耦合部分，并无短路等异常现象。

如图6.31所示，可能的故障部位集中到驱动变压器的小电路板，观察上面有4个芯片，运算放大器LM2904、LM224、比较器LM2901和PWM信号发生器MC33023，这些芯片都共用单电源。因为绝缘漆很厚，不便拆下，所以直接用维修电源加入电压测试小板。根据数据手册，MC33023的供电电压需9.2V以上，将维修电源电压调节至10.5V，接入小板芯片电源端，分别在线检测每一个芯片。运算放大器可以通电检测同向输入端和反向输入端电压是否相等，相等则认为放大器工作正常，不相等再测试输出电压是否符合比较器的特点。比较器根据输入电压判断输出电压高低，看是否符合逻辑，即：同向电压大于反向电压，输出高电平，同向电压小于反向电压，输出低电平。经万用表电压检测，运算放大器都正常。MC33023 可以通过检测关键引脚波形看是否正常。MC33023引脚结构图如图6.32所示。

图6.31　自动焊机输出驱动板

图6.32　MC33023引脚结构图

测试14脚没有波形输出，测试6脚有锯齿波输出，16脚有5.1V，参考电压正常。关电后测试14脚对地阻值很大，不存在短路。判断故障由MC33023外围元件引起。测试LM2901，发现有一路输出不符合比较器逻辑，取下此芯片测试，确认此芯片损坏。购买新的芯片更换，再次试机，测试MC33023的14脚有脉冲波形输出，测试后级驱动变压器输出，正常。

某直流电机驱动器不明故障

故障 ：某国产直流电机驱动器，故障不明。内部电路图6.33所示。

图6.33　直流电机驱动器

检修 ：外观检查，没有烧蚀痕迹，使用数字电桥测试电解电容，也没有发现异样，决定通电试机，检测驱动响应。此机低压交流输入供给控制电源，然后整流滤波，两个24V-15V DC-DC转换器模块转换后得到后级所需电压做控制电源。为了方便，可以不使用隔离变压器输入低压交流电源，而在交流电源输入端直接接入24V直流电源，因为不管正负，直流电经过整流桥以后，都可以得到方向一致的直流电压。

通电后测试各部分电源电压，15V输出正常，4个IGBT的G-S负压正常。指针万用表×1Ω挡给驱动光耦2，3脚注入电流，6脚输出电压变化明显，相对应的IGBT模块G-S转为正压，4路测试正常。发现机器接直流电机的两根输出线之间并联了接触器的常开触点，不知用于什么目的。接触器的线圈是380VAC供电，直接给线圈接入380VAC电压，触点吸合以后测试触点电阻有600多欧姆，显然触点已经损坏。购买同型号接触器更换，发给用户试机，反馈机器可以正常工作了。

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