交流伺服系統的應用

交流伺服系統包含交流伺服驅動器和伺服電機。選用伺服系統，主要為了進行精密的定位控制，伺服驅動器在位置控制模式下運行，控制框圖如圖一所示。

圖一 位置閉環控制

一.目前常用的伺服電機是三相交流永磁同步伺服電機，這種電機具有動態特性好、定位精度高的特點。之所以稱為“伺服”電機，是因為電機軸末端裝有編碼器，其反饋信號可與伺服驅動器構成閉環控制。常用的編碼器是光電式增量編碼器，根據輸出信號的不同特點，可分為6路信號標準編碼器；三路信號省線式編碼器；串行通信總線式編碼器。

標準編碼器輸出信號：A、B、Z、U、V、W，其中A、B為正交編碼脈沖，占空比為50%，相位差是90度電角度，根據超前、滯后關系，可區分電機正、反轉；將A、B信號上升沿和下降沿均取出來，可得到4倍頻脈沖信號。例如，國內常用的2500C/T編碼器，四倍頻后，電機旋轉一圈，編碼器能產生10000個反饋脈沖。

Z為零位脈沖（也稱索引脈沖），每轉輸出一個脈沖，做定位信號；

U、V、W為檢測轉子磁極位置的信號，即為驅動器提供伺服電機轉子的位置信息，以決定注入定子繞組電流的初始相位，保證伺服電機有足夠的起動轉矩。正常啟動之后，伺服驅動器能用Z脈沖修正轉子位置，精確的轉子旋轉位置由A、B信號獲取，此時伺服驅動器已不再需要U、V、W信號了，這就是產生省線式編碼器的原因。

省線式編碼器：在同樣的輸出線上分時輸出A、B、Z信號和U、V、W信號，雖然引出線只標注A、B、Z信號，但起動時還是先在標有A、B、Z的信號線上對應輸出U、V、W信號，然后輸出A、B、Z信號，使光電編碼器的信號輸出線減少了一半，焊接插頭的工作量大大減少，出差錯、出故障的概率也大大減小了。

總線式增量編碼器：只需一對差分信號線，即PS+和PS-，是串行通信信號，按專有協議輸出代表位置、速率、方向等信息，接線特別簡潔，是技術進步的象征，很久以前安川伺服系統就采用此技術，國內應用比較晚。

光電編碼器的輸出信號，一般要經線驅動芯片（Line Driver），如MC3487、AM26LS31，輸出差分信號，差分驅動方式是一個信號傳輸的好方法，它對噪聲不敏感，能消除或減小共模干擾，也能抑制自身產生的電磁干擾，提高了長線傳輸的可靠性;在伺服驅動器端，用線接收器（Line Receiver）對編碼器輸出的差分進行接收，信號傳輸示意圖如圖二所示。

圖二 編碼器信號傳輸示意圖

二.參考圖一，伺服驅動器除了要接受編碼器反饋信號外，在位置控制模式下還必須接收來自上層控制器的指令脈沖。上層數字控制器一般提供脈沖和方向信號，每一脈沖對應電機進給一步，方向信號以高低電平控制電機正反轉;與此對應，伺服驅動器位置指令脈沖輸入方式應設置為：脈沖+符號。

控制器輸出的位置指令，一般是經線驅動器處理的差分對信號，而驅動器一般用高速光耦接收位置指令脈沖，參考圖三。

圖三 位置指令脈沖傳輸

控制器（如數控系統、PLC、定位模塊等）輸出的位置指令，由伺服驅動單元來執行伺服電機的驅動。脈沖個數決定伺服電機轉動的角度（或工作臺移動的距離），脈沖頻率決定電機的轉速，在額定負載能力范圍內，電機輸出力矩由負載決定，負載越大則電機力矩越大。工業上常見的各種專用、通用CNC機床，伺服系統均工作于位置控制模式。

三.伺服驅動常用的數字量（開關量）輸出信號有如下幾個：

SRDY:伺服準備好信號。主電源正常且驅動器無報警，則輸出導通（ON），否則輸出截止（OFF）；

COIN:定位完成信號。位置偏差小于參數設定值則ON，否則OFF；

ALM：報警信號，伺服驅動器檢測到異常，輸出ON,無警報則OFF，（也有無報警輸出ON，故障時OFF）。

數字輸出口，流行光電隔離輸出，輸出級與伺服單元內部電路完全隔開。伺服輸出口既有固定功能輸出口，也有功能可編程輸出口，各廠家互不相同。

輸出口的電路結構也稍有不同，可以從光耦的集電極和發射極獨立輸出+、-信號端子（如圖四左側電路），也可以將輸出光耦的發射極于驅動器內部連接在一起，引出一個公共端子，供各數字輸出口共同使用。（如圖四右側電路），光耦輸出級導通時，C、E極之間大約有1V的壓降，不滿足TTL低電平標準，不能和TTL電路直接相連。

圖四 數字量輸出接口

四.對于開關量輸入接口，常使用獨立的外部開關電源對信號回路供電，控制器用繼電器常開觸點或開集電極三極管、光耦進行控制，如圖五所示。

圖五 數字量輸入接口

繼電器應選接觸電阻小的微型繼電器，可將兩個常開點并接使用，以減小接觸電阻，并增加可靠性。

數字輸入口常用的信號是使能信號SON，不加使能信號，伺服電機軸不鎖止，可自由轉動；加上使能信號后，電機軸鎖止，此時發位置脈沖，電機就會帶動工作臺移動；只發脈沖而不加使能信號，電機不會轉動?？梢杂肧ON信號控制電機的轉動和停止，但一般用脈沖控制電機啟停，連續發脈沖則伺服電機連續旋轉；不發脈沖電機就停轉。數控系統檢測到伺服驅動器報警信號或系統其它功能電路報警，都會停發脈沖并斷開使能信號。

五.使用伺服系統要注意的事項：

1.伺服電機U、V、W電源線必須和驅動器U、V、W端子一一對應連接，禁止用調換端子的方法來改變電機轉向，否則電機可能飛車或不轉;

2.常用伺服驅動的主電源為三相AC220V，必須經三相變壓器降壓，將三相AC380V變至三相AC220V，切勿直接連到三相AC380V電源上;

3.伺服驅動處于承上啟下的地位，接收來自伺服電機編碼器的輸入信號，同時又將獲得的A、B信號分頻后連同Z輸出到上級控制器，用于位置控制環配置（注：僅部分設備需要此輸出信號），一個輸入一個輸出，別搞混淆了；

4.如主電路電源用交流接觸器來接通和分斷，則接觸器應選用帶阻容吸收器的型號，以吸收線圈產生的浪涌電壓。

審核編輯：湯梓紅