揭秘多傳伺服電機驅動內部結構

談到自動化，我們很自然地聯想到電機，而在各種電機中，伺服電機是控制設備中最常見的一種。它主要負責控制設備的位移和動作，具有機電時間常數小、線性度高等優越特性。在控制系統中，伺服電機作為執行元件，通常需要搭配伺服電機驅動系統進行精準的驅動和控制。

伺服電機驅動系統扮演著關鍵的角色，其任務是接收來自控制系統的指令，將電流傳送到伺服電機，為其提供動力。同時，該系統監測伺服電機的反饋信號，以確保動作的準確性。

因此，我們可以將伺服驅動系統視為自動控制系統中類似于人體神經系統的組成部分，這進一步突顯了伺服驅動系統在自動化系統中的關鍵性和不可或缺性。

相信通過上面的簡單介紹大家已經能對伺服驅動系統有了一個初步的了解，而今天，由我來帶大家通過拆解的方式一起看看伺服驅動系統的內部構造和電路。

本期的拆解對象是工業領域某龍頭企業的多傳伺服電機驅動系統。

介紹

該伺服驅動器采用了該公司海外某研發中心的底層算法平臺，對于手機制造、機器人、機床、鋰電、硅晶半導體、觸控屏、LED等行業設備中遇到的集成度高、總線、體積小、調試簡單、耐環境性等需求，提供了有效的解決方案。

具有一鍵式調整、自適應限波器、轉矩補償等功能，高可靠性、高功率密度設計，并在安裝、配電配線、維護性等方面進一步優化了用戶的使用體驗。

外包裝

該伺服驅動器使用硬質紙盒包裝，拆開包裝，主機使用泡棉固定，隨機附帶了1個S6-C8-接插套件、電源及伺服電機接線插頭、1本使用手冊以及1張產品維修卡。

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產品外觀

該伺服驅動器主機設計得非常緊湊，一個手掌即可抓取，可以明顯感覺到重量上的分量感。

整體機身使用黑色塑料外殼，安裝面使用的是導電鐵片，可以使用預留的3個螺絲孔進行安裝、固定。

機身的側面貼有產品銘牌及危險提示，頂部裝有2個散熱風扇。

正面是主機的接口面板，翻開蓋板可以看到1個數碼管顯示器及按鈕旋鈕輸入面板，它用于顯示伺服的運行狀態及參數設置。

向下有一個母線電壓指示燈，用于指示母線電容是否處于擁有電荷狀態。

SN7口是一個24V抱閘電源輸入口。

CN8上的L1C、L2C外接控制回路AC220V電源輸入，L1、L2、L3接主回路單相三相220V電源輸入，P、C外接泄放電阻，P、N是伺服的直流母線端子，在多機并聯時進行母線連接。

CN3是1個Enternet連接器端口、CN4、CN5是EnterCAT的輸出、輸入端口。

CN1是數字量輸入、輸出信號使用端口。

X1、X2用于連接電機編碼器、X3、X4上BR+、BR-用于連接抱閘電機的抱閘線圈、U、V、W連接伺服電機U、V、W相。

同時面板左下方和機體下方還留有接地端子。

拆卸

整個主機采用的拼接的方式組裝。拆卸下主機頂部2顆螺絲可以拆卸散熱風扇。拆除機身其余螺絲后可以將接插部件分開，此時有4個部件，轉接板部分、供電、通訊部分、2個電機驅動部分。

拆下轉接板部分的螺絲可以將轉接板與外殼分離。

拆下供電、通訊部分的外圍螺絲，可以將電路板抽離外殼，供電和通訊部分電路拼接在鋁合金部件上，鋁合金部件也起到散熱器的作用，拆卸下螺絲可以將2塊電路板分離成獨立部分。

驅動部件拆開卡扣可以將外殼分離，然后拆卸下螺絲就可以將驅動電路板從鋁合金部件上取下。

至此，我們可以得到5塊電路板。

電路講解

電路板采用接插的方式連接在一起，1個轉接板4個分板，各部分對應不同功能，大致可以分為4個部分：電源電路、主控通訊電路、驅動控制電路和驅動電路。

首先我們來看看電源部分電路，最上面1路24V抱閘電源輸入經由電容給到后續抱閘電路供電。向下1路220V交流電并接壓敏電阻及Y電容，再經由整流橋和大電容給后續控制部分電路供電。再向下是三相電輸入，經由壓敏電阻、Y電容，一個繼電器控制通斷，再經由整流橋和大電容給后續電機驅動供電?？刂凭€和電源線通過接插口連接轉接板。

驅動控制部分電路位于轉接板上，電路板左上方是AC/DC電源轉換電路，用于將高壓電轉換成低壓直流電給控制部分電路供電。右上方是伺服電機驅動控制MCU，它與主控通訊芯片通訊，控制2個散熱電機、采集處理4路電機編碼器信息、控制4路伺服電機。伺服電機信號采集和控制信號通過電路板右下方的接口接入伺服電機驅動板。

該伺服驅動器采用有2個相同的伺服電機驅動板，電機編碼器信號通過接口反饋給控制芯片。伺服電機控制信號通過光耦連接到后端伺服電機驅動芯片控制端。驅動電源通過供電端子經由繼電器控制通斷給伺服電機驅動芯片供電。驅動信號通過右側端子外接電機。同時電路板上還帶有電機驅動電流檢測等電路。

最后我們來看看本伺服電機驅動系統板的核心主控通訊電路，左側的連接端子連接轉接板，用于供電、信號輸入、輸出及與控制主板通訊。電路板上附帶了1塊LED顯示、按鈕、旋鈕輸入板用作顯示伺服的運行狀態及參數設置。右側主控MCU通過3顆以太網驅動芯片和變壓器連接Enternet、EnterCAT輸入、輸出端子。數字量輸入和輸出信號經過光耦和電平轉換芯片連接到主控。

主控使用的是瑞薩電子的RZ/T1群組的處理器R7S910055，這是1顆基于Arm Cortex-R4處理器，擁有FPU核心，專為實時處理設計，能以高達600 MHz的速度進行高速運算。此外，無需通過緩存內存進行訪問，內置緊密耦合內存可進行明確的實時響應處理，實現從CPU高速訪問而無需經過緩存內存。搭載內置R-IN引擎的RZ/T1設備，作為工業以太網通信的加速器，可通過硬件實時操作系統（HW-RTOS）執行工業以太網處理，而不損失實時性能。配置了可編程絕對編碼器接口的RZ/T1設備非常適用于精密運動控制應用?？膳渲玫木幋a器接口支持EnDat2.2、BiSS-C、A-format、Tamagawa和HIPERFACE DSL等一系列行業標準。

特性

● 處理器：Arm Cortex-R4處理器與FPU，最大600MHz

●?工業以太網：EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等

●?內存：緊密耦合內存544KB（帶ECC），擴展SRAM 1MB（帶ECC，選項）

●?編碼器接口：2、BiSS-C、A-format、Tamagawa、HIPERFACE DSL

●?定時器：32位定時器3通道，16位定時器30通道，看門狗定時器2通道

● PWM：3相PWM 輸出功能：3通道

●?模擬功能：12位A/D轉換器 Unit0：8通道，Unit1：16通道

●?封裝：320引腳FBGA，176引腳HLQFP

●?電壓：核心2V，I/O 3.3V

在查找RZ/T1的相關資料時，關注到了瑞薩推出的第二代用于工業網絡及實時控制的RZ/T2和RZ/N2，也是極具特色。這里分別挑選最大規格的RZ/T2M和RZ/N2L做介紹。

RZ/T2M?高性能、多功能MPU，應用于交流伺服驅動器和工業機器人等領域，可實現交流伺服系統和工業電機等工業設備的高速處理、高精度控制和功能安全。

RZ/T2M具有最大頻率為800 MHz的雙Arm Cortex-R52內核，可進行實時控制，而且還擁有能夠與CPU直接連接的大容量緊密耦合內存（576KB），以實現高性能實時處理。此外，它還可以將電機控制的外設布置到能直接連接至CPU的LLPP（低延遲外設端口）上，來實現較低的延遲訪問。RZ/T2M擁有多協議編碼器硬件接口，可為A-format、EnDat和BiSS等各種絕對編碼器協議提供支持。此外，RZ/T2M還擁有一個3端口的千兆以太網交換機，可為TSN標準及EtherCAT、PROFINET RT/IRT和EtherNet/IP等工業以太網協議提供支持。

這樣的特性意味著RZ/T2M在單芯片上結合了快速、高精度的實時電機控制能力以及對最新的工業以太網協議的支持，同時實現功能安全操作。通過為電機控制提供所有必要的外設功能，能夠為用戶顯著減少外部元件數量，從而縮減BOM成本和產品尺寸。

RZ/N2L?工業以太網通信用MPU，可輕松將網絡功能添加到工業設備中。

RZ/N2L搭載支持TSN的三端口千兆以太網交換機和EtherCAT從控制器，可支持EtherCAT、PROFINET RT/IRT、EtherNet/IP、OPC UA等主要的工業以太網通信協議，支持時間敏感網絡（TSN）以太網標準，確保實時通信。

RZ/N2L具有最大頻率為400MHz的Arm Cortex-R52內核，外設功能包括帶ECC的大容量RAM與ΔΣ代用于工業以太網通信的RZ/N2L微處理器MPUI/F、A/D轉換器、PWM定時器、UART和CAN等，可在單個芯片上實現遠程I/O、傳感器集線器、變頻器和網關等應用。

RZ/N2L符合眾多工業標準規范和協議，便于開發需要實時功能的工業自動化設備。用戶也可將RZ/N2L用作主機CPU的網絡配套處理器，從而在設備中添加工業以太網功能，而無需對其內部配置進行重大更改。這使用戶能夠利用快速、精確的工廠自動化同步控制功能來開發工業設備。

結束語

相信通過本次對多傳伺服驅動系統的拆解可以讓大家更加清楚的了解其內部結構和電路，不論從結構還是電路方面，該伺服驅動器設計得非常緊湊、合理，器件選擇和用料方面也都十分得扎實，主控的選擇也非常得當，充分得發揮了瑞薩電子的這款處理器優越的性能。

審核編輯：黃飛

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