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一电气伺服控制技术及应用

主控计算机的主要对外接口形式及数量

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CJJ T 314-2022 市域快速轨道交通设计标准.pdf工控产品电气工程15021230050

4交流伺服控制技术及

（3）轴角编码器模块。轴角编码器模块由（单极或多极）旋转变压器与RDC解算电路 板组成。轴角编码器模块与同步轮系（或精密弹性联轴节）组成雷达天线角度测量系统。 一体式智能轴角编码器属于数字旋变范畴，是具有完全自主知识产权的创新设计成果。 一体式智能轴角编码器具有CAN、SPI及差分I/O接口。CAN发送角度数据及轴角编 码器的状态和故魔信息，接收角度修正信息，实现角度零位

控制接触器和继电器的通断，完成伺服系统开关机控制；同时接触器和继电器通断状态回送 空制保护板，与各开关状态、控制命令综合进行BIT检测。 控制保护板通过CAN总线定时接收控制命令，发送控保状态和BIT信息。主控计算机 控制软件可在人机交互界面上，屏蔽选定的一些异常状态，使伺服系统能够在特定的条件下 紧急开机，同时也便于伺服系统的调试和维erl图n4－119是某雷达伺服系统控保模块的人

测速端口不一致外，两个系列中的所有模块的其他数据输人输出端口的形式完全相同。 轴角编码器按照输出数据的精度要求，也构成一个轴角编码器模块系列。使用的旋转变 压玉器按精度要求有三种形式，即单极旋转变压器、装配式多极旋转变压器和分装式多极旋转 变压器。设计师根据输出数据精度要求和结构安装要求选用相应的轴角编码器模块。除外 形、尺寸和安装方式不同外，所有轴角编码器模块的RDC解算电路板和信号输入、数据输

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电气伺服控制技术及应用

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4交流伺服控制技术及

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2.变频器技术特点和信号流程 （1）变频器技术特点。 1）交流伺服变频器和三相交流永磁同步电动机配套可构成高精度、宽范围调速系统。 交流伺服变频器可控制电动机做四象限运行，满足高动态响应要求。 2）三相交流永磁同步电动机实际上为无刷直流电动机，采用电子换向器代替机械换向 器，为了检测转子位置，在电动机内安装了转子位置检测器（RLG），电动机的速度反馈则 用三相交流测速发电机（TG）来实现。 3）为减少干扰，提高伺服系统运行可靠性，变频器电子信号电缆（弱电）和电源输入 电缆以及至电动机的动力电缆应分开布线。 4）变频器内部存在大容量电容，开机瞬间会产生大的冲击电流，会导致伺服总电源空 开跳闸，一般采用浪涌电流限制电流设计；变频器电源是三相四线制交流380V经三相变压 器变换为交流165V三相电压，供变频器使用。 5）为便于伺服系统调试，变频器增加了速度环增益、滞后时间、速度上升斜率、调整。 6）为便于变频器和电动机参数匹配，变频器具有参数设置功能：转速和电流值（实际 值和设定值）设置功能；标准转速调整；电动机零漂调整；输人方式选择；电动机正反向设 置；电流环运行参数设置（电流极限参数、电流增益）。 （2）变频器信号流程。交流伺服变频器主要由速度环和电流环组成，速度环接收外部速 度指令，并和电动机的速度反馈量比较，其差值经比例积分（PI）放大后作为电流给定值送 电流环的输入端，电流环实际上是PI调节器，它把电流给定值和电流反馈值进行比较并做 PI放大，其输出模拟电压送脉宽调制器（PWM），转换成幅度与之相对应的脉冲信号，脉

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（3）变频器信号监控。变频器具有多种信号监控功能，当发生信号异常时，立即停止变 频器工作，一方面将监控信息送伺服面板显示，同时将监控信号送往伺服系统的数字控制单 元（DCU）的数字板，再经过串口传输到RDA计算机。变频器监控功能如下。 1）过压（母线直流电压天于38oV）监控（面板上“Overvoltage”和“ZFault”灯亮 XS4一25端输出低电平）、欠压（母线直流电压小于10oV）监控（面板上“Undervoltage 和“ZFault”灯亮，XS4：24端输出低电平）wo使运行中的变频器立即停止工作。 2）土15V监控，当士15V电压超限时，运行中的变频器立即停止工作，监控面板上 “15VMonitor”和“ZFault”灯亮，XS4：26端输出低电平。 3）过流监控（速度调节器监控），当速度调节器输出达到最大值（士10V）约200ms以 上，速度调节器就监控报警，速度调节器脉冲闭锁和控制器禁止信号立即有效，使运行中的变 频器立即停止工作，监控面板上“Overcurrent”和“ZFault”灯亮，XS4：14端输出低电平。 4）?t监控（热保护），对电流实际值的近似平方的结果再进行积分，如果电流实际值 是额定值的1：1倍以上，积分器向负积分，否则回止积分，当积分输出低于一15V时，开始 进入It限流状态，面板It灯亮，同时XS4：12端输出低电平，变频器立即停止工作。 5）电动机过热报警，当电动机绕组温度超过150℃时，变频器发出报警信号，面板上 “Motortemtp”灯亮，同时XS4：13端输出低电平，注意该报警功能不会造成变频器停机： 只是输出报警信号，需要通过XS4：13端输出信号到RDA计算机（或伺服控制系统），通 过断电命令终止变频器工作。 6）故障复位功能，通过输入一个低电平信号完成对变频器故障复位，各输出电平才能 恢复到正常状态，变频器才可运转，注意慎用此功能，所有发生的故障需断电查明原因，消 除故障后，大可允许恋频黑工作

3.伺服系统参数调试方法

（1）伺服系统天线静态参数。天线仰角过冲，调整DCU模拟板速度环增益，调电位器 RP10，或者增大速度环路电阻R173阻值，或增大上光纤板R13和R14阻值（比值保证在 3：1左右），以达到改变变速度环路状态参数目的。 天线方位过冲，调整DCU模拟板速度环增益，调电位器RP6，或者增大速度环路电阻

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R70阻值。 天线仰角到位精度差，调整DCU模拟板位置环的位置/速率选择放大器电位器RP11。 天线方位到位精度差，调整DCU模拟板位置环的位置/速率选择放大器电位器RP3。 （2）伺服系统动态参数。天线俯仰转速快慢调整，调整DCU模拟板加速度环的电位 器RP12。 天线方位转速快慢调整，调整DCU模拟板加速度环的电位器RP7。 （3）DOU模拟板双极性数字到模拟转换满幅输出。模拟板检查应运行测试程序，用万 用表测量AP1板（模拟板）N2（俯仰为N14）的6脚，应满足最大正速度：十9.5～ 十10V；最大负速度：一9.5～一10V，不满足要求调整RP2（俯仰调RP5）。 4.交流变频数字伺服系统维修方法 交流变频调速数字伺服系统，相对于模拟伺服系统维修难度要大，维修时应根据故障现 象、监控信息，按照信号流程，综合判断，找出故障点。一般从位置环、速度环和加速度环 三方面着手。一般故障分为天线不受控制；天线运转不正常（控制精度差、运行速度不稳 定）；跳码或角码和天线实际位置不一致。交流变频数字伺服系统故障定位关键点有RDA 计算机角码显示；伺服数字控制单元的面板显示；DCU数字板、光纤传输通道；轴角编码 器和光电码盘数字信号输出；DCU模拟板命令输出（模拟量）；变频器交流动力信号输出 （模拟量）；交流驱动电动机。 （1）天线不受控制。 1）如果RDA计算机角码显示不正常/W而伺服数字控制单元的面板显示正常，则检查数 字控制单元到RDA计算机之间串口传输通道以及信号处理器HSP/B板。 2）在串口传输正常下，可检查DCU模拟板D/A输出模拟信号是否正常，如不正常则 要检查D/A模块，在D/A模块正常下则更换数字板，否则更换D/A模块。 3）前两步正常情况下，检查DCU模拟板速率输出信号，如不正常则更换DCU模拟板。 4）如果DCU模拟板正常，检查变频器，可以通过互换方位和俯仰变频器确定是否变频 器故障，如果变频器正常，则检查变频器输出到驱动电动机之间动力电传输通道有无断、短 路和接触不良，最后检查驱动电动机。 （2）天线运转不正常（控制精度差、运行速度不稳）。 1）首先调整，如无效果，检查速度反馈信号的传输通道。 2）检查DCU模拟板输入的天线速度信号是否正常，如不正常则检查速度反馈信号传输 通道有无断、短路和接触不良，再检查天线速度电动机。 3）如速度反馈信号正常，则检查模拟板位置和速度通道，甚至更换模拟板。 （3）跳码或角码和天线实际位置不一致。 1）如果RDA计算机角码显示正常，而伺服数字控制单元的面板显示有跳码，检查 OCU的数字板，如果有跳码，则检查光纤板、光纤传输通道、轴角编码器和光电码盘及与 之相关的数字信号传输通道，重点检查光电码盘的直流供电电压是否在5.2V左右范围内。 2）如果RDA计算机角码显示跳码，而伺服数字控制单元的面板显示正常，则检查到 DCU数字板到RDA计算机之间串口传输通道和信号处理器，重点检查DCU数字板和信号 处理器的串口接收功能板是否接触不良，或者HSP/B板不正常。检测天线位置数字角码信 号传输通道关键点信号是否正常，采用手轮匀速转动天线，示波器检测关键器件输出的数字

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雷达径向数据采集的天线方位和仰角角码闪码

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雷达伺服系统常见故障汇总

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7.小结 （1）交流变频数字伺服系统数字信号处理主要在位置环完成，模拟信号处理在速度环和 加速度环完成，在伺服系统维修时要根据电路不同功能和特点进行检查、测试和分析判断。 （2）必须熟悉交流变频数字伺服系统信号流程，这样才能根据故障现象、报警信息，依 居信号流程综合分析，通过测量或调整关键点参数，快速排除故障。 （3）观测故障现象要全面，不能遗漏细节，故障现象涵盖天线运行状况（声音、速度 等）、角码显示以及故障报警信息等，这样才能为故障快速维修打下基础

4.7.1FANUCαi系列主轴伺服驱动系统故障诊断与维修 数控机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计技术 等先进技术的典型机电一体化产品，其控制系统复杂，在运行中可能会产生各种各样的故 障。通过科学的方法、行之有效的措施，迅速判别故障产生的原因，随时解决出现的问题 是保证数控机床安全、可靠运行、提高设备利用率的关键所在，也是当前数控机床使用过程 中呕待解决的问题之一。数控机床的故障，既有主机故障，如机械、润滑、冷却、排屑、液 压、气动与防护等部分的故障，也有电气控制故障，如CNC、PLC、MDI/CRT、伺服驱动 单元、输入/输出单元的故障，还有控制系统主回路或高压大功率回路中的继电器、接触器 开关、熔断器、电源变压器、电动机、电磁铁、行程开关等电气元件及其组成的控制电路的 故障。 1.FANUCαi系列主轴伺服驱动系统的原理及特点 FANUCαi系列主轴伺服驱动系统控制电路如图4－123所示。该驱动系统为电流、速 度、位置三环闭环控制，使用最新的智能型功率控制器件（IPM），放大器体积小，采用能 量再生控制，节省能源。电动机采用永磁交流同步伺服电动机，具有高速、大功率、响应 快、速度稳，高速主轴定向及可高速高精度刚性攻丝等特点和功能。电网提供的220V恒压 恒频（CVCF）交流电经变换器（PSM）转换为恒压直流电，再经过逆变器（SPM）转换为 变压变频（VVVF）交流电，对主轴电动机实现无级调速。主轴伺服单元根据数控系统的指 令及编码器返回的速度检测反馈信号，采用正弦波脉宽调制（PWM）方法调整主轴电动机 的转速和电压

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（1）驱动系统出现交流伺服电动机过热报警的故障维修。 1）故障现象。XH756B/1加工中心，主轴电动机为FUNUCa18/7000i永磁交流同步伺 服电动机，在加工过程中出现9001号报警，电动机过热，电动机温度由22℃急剧上升到

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大部分交流伺服系统位置环均采用比例调节器，积分调节虽然可以减小系统的静差，但 是会产生位置超调，在需要高跟随性能的系统中，可以增加位置前馈增益参数。速度环和电 流环采用比例积分调节器。影响数控机床性能的交流伺服主要参数及意义说明如下：速度比 例增益参数主要是设定速度环调节器的比例增益，增益越高，刚度越大，参数数值根据具体

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2）电动机转子不平衡。电动机转子的动平衡制造时有缺陷或者长时间使用后质量变差： 就会产生形如振动电动机一样的振动源。 3）转轴弯曲。转轴弯曲的情况类似于转子不平衡，除了会产生振动源之外，也会产生 电动机转子中心和丝杠中心的同轴度误差，使机械传动系统产生抖动。 4）联轴器制造缺陷或使用后磨损会造成联轴器两部分的同轴度误差，特别是使用铸造 的刚性联轴器，由于本身的制造精度差，更容易产生同轴度误差以导致振动。 5）导轨的平行度在制造时较差会导致伺服系统无法到达指定位置并无法停留在指定位 置，这时伺服电动机会不停地在努力寻找位置和系统反馈间排，使电动机连续的振动。 6）杠与导轨平面的平行度误差。丝杠在安装过程中与导轨所在平而有平行度误差也会 使电动机由于负载不均匀产生振动。 7）杠弯曲。丝杠弯曲后丝杠除了受到轴向推力外还会受到变化的径向力，弯曲大时 径向力大，弯曲小时径向力小，同样这种不应该存在的径向力也会使机械传动系统产生 振动。 （2）电气方面。导致交流伺服电动机振动的电气原因主要是伺服驱动器参数调整不当。 1）负载惯量。负载惯量的设置一般与负载的大小有关，过大的负载惯量参数会使系统 产生振动，一般的交流伺服电动机可以自动测量系统的负载惯量。 2）速度比例增益。设置值越大，增益越高，系统刚度越大，参数值根据具体的伺服驱 动器型号和负载情况确定，一般情况下，负载惯量越大，设定值越大，在系统不产生振动的 情况下，设定值尽量较大，但是增益越大，C偏差越小，越容易产生振动。 3）速度积分常数。一般情况下负载惯量越大，设定值越大，系统不产生振动的情况下， 设定值尽量较小，但是降低积分增益会使机床响应迟缓，刚性变差。 4）位置比例增益。设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位 置滞后量越小，数值太大可能会引起电动机振动。 5）加速度反馈增益。电动机不转时，很小的偏移会被速度环的比例增益放大，速度反 馈产生相应的转矩，使电动机来回抖动。 2.交流伺服电动机振动故障现场判断与排除 知道了哪些方面会导致交流伺服电动机产生振动故障，实际维修中如何将故障范围进 步缩小，进而锁定故障原因是个难点，需要结合具体的现场信息来综合判断。 （1）故障发生在新设备开机调试后，发生在这个时段内的故障最复杂，可能是由于机械 制造方面的原因，也有可能是参数调整不正确的原因，需要一步步的排除，排除的原则是先 排除简单的，后排除复杂的，如果是数控系统装有两台以上相同的驱动器和交流伺服电动 机，其中一台电动机产生振动，可以采用最简单的对换法将两台交流伺服电动机的伺服驱动 器对换，利用此法可以快速判断问题是否出在伺服驱动器参数设置上。 （2）故障发生在设备运行使用很长时间以后，这种情况基本可以排除伺服驱动器参数设 置问题，因为如果参数设置不当，早就应该反映出问题。 （3）故障发生在刚刚开机后，如果刚刚开机交流伺服电动机就产生振动，这种情况下可 以确定是在数控系统自动寻在机床原点时发生了机械卡阻，导致电动机不能到达指定位置或 到达指定位置后产生反复，这种情况下一般是机械故障。 （4）故障发生在机床正在加工工件时，这种情况首先考虑是由于加工时负载增加而导致

2.交流伺服电动机振动故障现场判断与

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的振动，围绕负载增加检查原因。 （5）故障连续规律发生或断续无规律发生，故障连续发生时说明导致电动机振动的故障 原因一直存在，而断续无规律发生时说明导致电动机振动的故障原因有时会发生变化，这种 情况如果负载没有很大的变化，基本可以排除伺服驱动器参数设置的原因。 导致交流伺服电动机的振动故障是多方面复杂的原因，机械故障或机械故障导致的电动 机故障原因比例较大，在排除这类故障时需要掌握交流伺服系统的工作原理，了解哪些原因 容易引起电动机振动故障，同时结合现场情况综合判断，才能彻底解决交流伺服电动机的振 动故障。

GB／T 8075-2017 混凝土外加剂术语7.4三菱交流伺服主轴电动机飞车故障

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到转时的A相、B相输出信号波形

将PLG的PCB电路板更换后，开机试验一会儿，故障还是没有排除。 由于PLG是通过一个磁传感器将信号传到PCB电路板，信号再通过PCB电路板处理 后传到伺服驱动器。把磁传感器探头拆下，发现磁传感器探头表面有些磨损，这就可能导致 传感器发出错误的信号。考虑到PLG在出厂前已由厂家调整好，所以直接换一个磁传感器 探头，再用示波器观察A相和B相波形，主轴在旋转时，A相和B相波形很稳定，持续观 察1h以上，主轴再也没有出现以上故障。 3.注意事项 在安装磁传感器时一定要做到以下几点： （1）由于传感器是精密元件，所以在安装时要注意传感器的检测面不能受过大外力，检 测面和检测齿轮上不要附着异物。 （2）安装座固定好之后，确认传感器检测面与检测齿轮外圈之间的间隙是否在0.15mm 土0.01mm的范围内，如超出范围则须调整。 （3）间隙调整完成后，在螺钉上涂抹螺钉胶，然后拧紧，固定传感器

LG的PCB电路板更换后，开机试验一会儿，故障还是没有排除。 PLG是通过一个磁传感器将信号传到PCB电路板，信号再通过PCB电路板处 服驱动器。把磁传感器探头拆下，发现磁传感器探头表面有些磨损，这就可能导 出错误的信号。考虑到PLG在出厂前已由厂家调整好，所以直接换一个磁传居 用示波器观察A相和B相波形，主轴在旋转时，A相和B相波形很稳定，持 上，主轴再也没有出现以上故障。

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GB／T 51331-2018 煤焦化焦油加工工程设计标准工控产品电气工程15021230050