FANUC Alpha系列伺服电机和伺服放大器结构和维修方法

FANUC Alpha系列伺服电机和伺服放大器结构和维修方法(1)

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1. FANUC 的交流伺服电机

与直流伺服电机相比，交流伺服伺服电机具有免维护，低损耗，体积小的特点，在现代控制领域已经逐步取代了直流伺服电机，交流伺服电机被广泛地应用到各个控制领域，FANUC 从80年代开始逐步使用交流伺服电机，从开发应用到目前被广泛使用的Alpha 系列伺服电机，经过了三代的更新，从模拟的交流控制单元驱动的伺服电机，到S系列电机，从而又发展成为现在使用的交流Alpha 系列伺服电机，从伺服电机的性能上得到了提高，而电机的体积更小，特别是现在使用的Alpha 系列的伺服电机，电机的型号更全，并采用了磁更强的材料，伺服电机的反馈使用了高速高精度的串行位置编码器，可以适用于各种不同的丝杠而不需要选定编码器的线数，并且该系列具有标准系列，小惯量系列，中惯量系列，经济型的AC系列和高压（380V）的HV系列电机等。请参考下表：

(1) 交流伺服电机的结构

目前，在控制领域中所采用的交流伺服电机一般为同步电机（无刷直流电机），电机主要由三部分组成，即：定子，转子，和检测元件构成，其中定子与普通的交流感应电机基本相同，主要有定子冲片，三相绕组线圈，另外还有支撑转子前后端盖和轴承等组成，伺服电机的转子主要由多对极的磁钢，定子冲片和电机轴构成，检测元件由安装在电机尾端的位置编码器构成，目前Alpha系列的电机的编码器使用的是串行脉冲编码器，由于电机的激磁必须和转子的磁极位置垂直，所以电机的位置反馈要能够把电机的磁极位置反馈给伺服系统，用以产生交流伺服电机的激磁的矢量控制。电机的结构如图4-1所示

图4-1 交流伺服电机的结构

交流伺服电机的工作原理实际上与电磁式的同步电机类似，只不过磁场不是由转子中的激磁绕组产生，而是由作为转子的永久磁铁产生，当定子三相绕组通上交流电源后，电机中就会产生一个旋转的磁场，该磁场将以同步转速Ns旋转。根据磁场的特性，定子的旋转磁极总是要和转子的旋转磁极相互吸引，并带着转子一同地转动，使定子磁场的轴心线与转子磁场的轴心线保持一致，形成电机的旋转扭矩。一旦由于负载的扭矩发生变化，就会造成磁场的轴线和转子的轴线发生变化，但总是不超过一定的限度，所以电机的速度就会以Ns=60f/p旋转。

作为同步电机由于电机的转子惯量、定子和转子之间的转速差等因素的影响，经常会造成电机启动时的失步，为了保证定子和转子之间总是处于一定的同步状态，在电机的后面的编码器都增加了确定转子位置的绝对位置编码器，FANUC的电机中使用的是4位格林码绝对位置编码器用于确定转子信息。

2. 交流伺服控制的原理

要清楚0系统所使用的交流伺服控制系统，就必须要从最基本的交流（模拟）伺服系统的控制原理开始，虽然目前FANUC所应用的都是Alpha系列伺服放大器，伺服的控制已经完全数字化，其伺服控制的结构已经完全软件化了，直接来对其进行分析，比较困难，但是，其基本的结构和原理都源于模拟的交流伺服控制结构，所以，这里我们首先要了解一下模拟的交流伺服系统的控制结构。图4-2位置环控制框图和图4-3速度控制单元控制框图描述了作为伺服控制的主要控制结构。

(1) 位置环的控制原理

图4-2 位置环控制框图

位置控制作为数控系统的主要控制工作之一，决定着系统进行位置控制性能优略，位置环作为伺服控制系统的最外环，以位置指令作为控制对象，在FANUC0系统中，位置环控制系统是在系统内部来完成的，为了提高系统的集成度和可靠性，FANUC采用了大规模集成电路芯片（LSI），每一个控制轴需要1片，该芯片使用先进的加工工艺，大大地降低了芯片的温升。该芯片功能强大，包括了插补器、位置误差计数器、D/A转换器、参考计数器、螺距误差补偿，反间隙补偿、增益计算、脉冲编码器鉴相器、用于感应同步器的鉴相和正弦余弦发生器电路等。

在图4-2中，简要地描述了位置控制的基本结构，其中包括了位置控制芯片LSI的部分内容，首先系统的位置指令通过总线给LSI中的插补器，插补器会产生一系列指令脉冲，该指令脉冲经过CMR乘积后输出到位置误差计数器中，而电机反馈的脉冲编码器的脉冲经过方向鉴别电路以后也处理成了一系列脉冲，该脉冲经过检测被乘比乘积后也输出到位置误差计数器中，该位置误差计数器为一双向计数器，该计数器用于积分计算，当指令与反馈的差增大时，该计数器的数值增大，当指令与反馈的差减小时，该计数器的数值减小，计数器的差值与环增益的乘积即为速度环的速度指令，该指令经D/A转换后，作为速度控制单元的速度指令模拟信号（Vcmd）。而实际上位置环的处理中包括了丝杠反间隙和螺距误差补偿信号。在位置控制LSI中也包括了用于栅格回零的参考计数器控制电路，该电路用于确定坐标的机械零点控制。

在位置环控制中最关键的部分是误差计数器，该计数器的值会反映系统的指令和电机的运行情况，该值的大小可以通过系统的诊断来观察，诊断的号码为DGN 800 （X）、DGN801（Y）、DGN802（Z）、DNG803（4），因为该计数器的输出为速度环的指令，所以该值决定了电机的速度。

伺服环增益：PRM 517 [0.01/Sec]

DMR：PRM 004~007

除了位置控制的电路以外，PRDY伺服准备信号、VRDY伺服准备完成信号和ENBL用于系统监测和控制速度控制单元的状态，当系统的电源打开后，系统在伺服的初始化过程中，会发出PRDY信号，速度控制单元如工作正常则会发回一个VRDY信号，作为速度单元工作正常的回答，系统则进入正常工作状态。一旦没有接收到VRDY信号，则系统酒会发生ALM#401报警，详见图4-3所示。

图4-3 伺服准备的时序

(2) 交流速度控制单元（模拟）

交流速度控制单元包括了伺服控制的电流环和速度环的双环控制系统，它将位置环发出的Vcmd指令经过运算和放大后，驱动三相变频桥组产生与电机转子相对应的交流旋转磁场，该旋转是电机的转子产生旋转扭矩。图4-4 描述了速度控制单元的基本结构。

图4-3 速度控制单元控制框图

在图4-3的框图中，可以大致分为两部分，其中上边为速度单元的控制部分，下部分为速度控制单元的动力变频部分，在控制部分中主要是由速度误差放大器、R/S相的电流指令发生电路、三相R/S/T电流环的调节器电路、PWM脉宽调制电路、三极管的各相的隔离却动电路以及编码器鉴相电路和三角波发生器电路组成。

控制部分中，速度指令Vcmd和速度反馈信号TSA都输入到误差放大器当中，经过误差放大器的补偿后作为控制电机的电流（扭矩）指令，由于交流伺服电机要根据转子的位置产生交流的旋转磁场，所以转子位置检测电路根据位置编码器来的信号C1~C8和PCA和PCB而产生的R/T相的电流指令，该电流指令再和电机的动力线的R/T相电流相减后输送到电流环的调节器（电流指令）中，该部分即输出了三相的电流指令，该指令经过三角波调制后产生了用于驱动六个三极管的PWM脉冲信号，该信号再经过隔离后用于驱动（A-F）。动力变频部分为功率的主回路，该部分主要由交流整流回路，变频回路和保护回路组成，整流回路将三相交流电源整流成直流电源，变频回路利用驱动信号PWMA~F将直流电源变换成交流电源用于驱动交流电机。其中还有用于速度控制单元与系统之间的PRDY、ENBL和VRDY信号，从框图中可以清楚地看到PRDY信号控制MCC的工作过程。