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伺服电机的选型及故障处理

2019-9-16 22:09| 发布者: gk-auto| 查看: 1| 评论: 0|原作者: gk-auto

摘要: 一、伺服电机原理伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可以控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能 ...
一、伺服电机原理
伺服电机(servomotor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。伺服电机可以控制速度,位置精度非常准确,可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制,并能快速反应,在自动控制系统中,用作执行元件,可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
“伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思,“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机:在控制信号发出之前,转子静止不动,当控制信号发出时,转子立即转动;当控制信号消失时,转子能即时停转。因此伺服电机指的是随时跟随命令进行动作的一种电机,是以其工作性质命名的。
伺服主要靠脉冲来定位,伺服电机接收到一个脉冲就会旋转一个脉冲对应的角度,从而实现位移。伺服本身带有编码器,具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,就会发出对应数量的脉冲。等于是把电机旋转的详细信息反馈回去,形成闭环。这样的话,系统就会知道发了多少脉冲给电机,同时又收了多少脉冲回来,这样就能很精准的控制电机的转动,实现非常精准的定位。
二、伺服电机分类
1、直流伺服
结构简单控制容易。但从实际运行考虑,直流伺服电动机引入了机械换向装置,成本高,故障多,维护困难,经常因碳刷产生的火花影响生产,会产生电磁干扰。而且碳刷需要维护更换。机械换向器的换向能力,也限制了电动机的容量和速度。
交流伺服
分为永磁同步伺服电机和异步伺服电机。目前运动控制基本都用同步电机。
永磁同步伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。特点如下:
1、控制速度非常快,从启动到额定转速只需几毫秒;而相同情况下异步电机却需要几秒钟。
2、启动扭矩大,可以带动大惯量的物体进行运动。 l
3、功率密度大,相同功率范围下相比异步电机可以把体积做得更小、重量做得更轻。
4、运行效率高。 l
5、可支持低速长时间运行。 l
6、断电无自转现象,可快速控制停止动作。
7、控制和响应性能比异步伺服电机高很多。
三、伺服电机选型
1、电机转矩
电机转矩,简单的说,就是转动的力量的大小。也就是电机可以发出多大的力,转矩是一种力矩,力矩在物理中的定义是:
力矩= 力 ×力臂
这里的力臂就可以看成电机所带动的物体的转动半径。如果电机转矩太小,就带不动所要带的物体,也就是感觉电机的“劲”不够大。
假设我们是采用滚珠丝杆使工件做平行移动:
假设:
负载速度:
检测物体质量:
移动块质量:
滚珠丝杆直径:
滚珠丝杆节距:
摩擦系数:
机械效率:
减速比: R=1
力矩=力×力臂
把负载转矩转化到电机轴上的公式为:
2、负载的转动惯量
转动惯量反映出物体转动状态下的惯性:转动惯量大的物体的角速度更难于被改变。转动惯量大的物体比惯量小的物体更难于被加速。系统的转动惯量决定着电机的加减速时间。
转动惯量对伺服系统的精度,稳定性,动态响应都有影响。惯量大,系统的机械常数大,响应慢,加减速时会产生震荡,影响了伺服精度和响应速度,惯量的适当增大只有在改善低速爬行时有利,因此,机械设计时在不影响系统刚度的条件下,应尽量减小惯量。 衡量机械系统的动态特性时,惯量越小,系统的动态特性反应越好;惯量越大,电机的负载也就越大,越难控制,但机械系统的惯量需和电机惯量相匹配才行。
负载惯量计算公式:

式中:
J1---转动惯量
m---负载质量(检测物体+载物台)

滚珠丝杆节距
代入数据:

假设:

滚珠丝杆转动惯量:

联轴节的转动惯量:
则总的负载惯量:

选择电机时要考虑惯量匹配:

即负载惯量不大于转子转动惯量的5倍。
3、负载功率
负载运行功率:

式中:

负载运行功率

额定转速,取3000rpm

负载转矩
代入数据:

负载加速功率:

式中:

加速时的负载功率

额定转速,取3000rpm

负载的转动惯量

加速时间,取0.1s
代入数据:

4、选型条件
惯量匹配

转矩

3、输出功率

四、伺服电机的选型及故障处理
三相交流伺服电动机应用广泛,但通过长期运行后,会发生各种故障,及时判断伺服电机故障原因,进行相应处理,是防止故障扩大,保证设备正常运行的一项重要的工作
a、通电后伺服电动机不能转动,但无异响,也无异味和冒烟。
1.故障原因
电源未通(至少两相未通);
 ② 熔丝熔断(至少两相熔断);
 ③ 过流电器调得过小;
 ④ 控制设备接线错误。
2.故障排除
 ① 检查电源回路开关,熔丝、接线盒处是否有断点,修复;
 ② 检查熔丝型号、熔断原因,换新熔丝;
 ③ 调节继电器整定值与电动机配合;
 ④ 改正接线。
b、通电后伺服电动机不转有嗡嗡声
1.故障原因
 ① 转子绕组有断路(一相断线)或电源一相失电;
 ② 绕组引出线始末端接错或绕组内部接反;
 ③ 电源回路接点松动,接触电阻大;
 ④ 电动机负载过大或转子卡住;
 ⑤ 电源电压过低;
 ⑥ 小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬;
 ⑦轴承卡住。
2. 故障排除
 ① 查明断点予以修复;
 ② 检查绕组极性;判断绕组末端是否正确;
 ③ 紧固松动的接线螺丝,用万用表判断各接头是否假接,予以修复;
 ④ 减载或查出并消除 机械故障,
 ⑤ 检查是否把规定的面接法误接;是否由于电源导线过细使压降过大,予以纠正,
 ⑥ 重新装配使之灵活;更换合格油脂;
 ⑦ 修复轴承。
c、伺服电动机起动困难,额定负载时,电动机转速低于额定转速较多
1.故障原因
 ① 电源电压过低;
 ② 面接法电机误接;
 ③ 转子开焊或断裂;
 ④ 转子局部线圈错接、接反;
 ⑤ 修复电机绕组时增加匝数过多;
 ⑥ 电机过载
2.故障排除
 ① 测量电源电压,设法改善;
 ② 纠正接法;
 ③ 检查开焊和断点并修复;
 ④ 查出误接处予以改正;
 ⑤ 恢复正确匝数;
 ⑥ 减载。
d、伺服电动机空载电流不平衡,三相相差大
1.故障原因
 ① 绕组首尾端接错;
 ② 电源电压不平衡;
 ③ 绕组存在匝间短路、线圈反接等故障。
2.故障排除
 ① 检查并纠正;
 ② 测量电源电压,设法消除不平衡;
 ③ 消除绕组故障。
e、伺服电动机运行时响声不正常有异响
1.故障原因
① 轴承磨损或油内有砂粒等异物;
 ② 转子铁芯松动;
 ③ 轴承缺油;
 ④ 电源电压过高或不平衡。
2.故障排除
 ① 更换轴承或清洗轴承;
 ② 检修转子铁芯;
 ③ 加油;
 ④ 检查并调整电源电压。
f、运行中伺服电动机振动较大
1.故障原因
 ① 由于磨损轴承间隙过大;
 ② 气隙不均匀;
 ③ 转子不平衡;
 ④ 转轴弯曲;
 ⑤ 联轴器(皮带轮)同轴度过低。
2.故障排除
 ① 检修轴承,必要时更换;
 ② 调整气隙,使之均匀;
 ③ 校正转子动平衡;
 ④ 校直转轴;
 ⑤ 重新校正,使之符合规定。
g、伺服电机轴承过热
1.故障原因
 ① 滑脂过多或过少;
 ② 油质不好含有杂质;
 ③ 轴承与轴颈或端盖配合不当(过松或过紧);
 ④ 轴承内孔偏心,与轴相擦;
 ⑤ 电动机端盖或轴承盖未装平;
 ⑥ 电动机与负载间联轴器未校正,或皮带过紧;
 ⑦ 轴承间隙过大或过小;
 ⑧ 电动机轴弯曲。
2.故障排除
 ① 按规定加润滑脂(容积的1/3-2/3);
 ② 更换清洁的润滑滑脂;
 ③ 过松可用粘结剂修复,过紧应车,磨轴颈或端盖内孔,使之适合;
 ④ 修理轴承盖,消除擦点;
 ⑤ 重新装配;
 ⑥ 重新校正,调整皮带张力;
 ⑦ 更换新轴承;
 ⑧ 校正电机轴或更换转子。
h、伺服电动机过热甚至冒烟
1.故障原因
 ① 电源电压过高;
 ② 电源电压过低,电动机又带额定负载运行,电流过大使绕组发热;
 ③ 修理拆除绕组时,采用热拆法不当,烧伤铁芯;
 ④ 电动机过载或频繁起动;
 ⑤ 电动机缺相,两相运行;
 ⑥ 重绕后定于绕组浸漆不充分;
 ⑦ 环境温度高电动机表面污垢多,或通风道堵塞。
2.故障排除
 ① 降低电源电压(如调整供电变压器分接头);
 ② 提高电源电压或换粗供电导线;
 ③ 检修铁芯,排除故障;
 ④ 减载;按规定次数控制起动;
 ⑤ 恢复三相运行;
 ⑥ 采用二次浸漆及真空浸漆工艺;
 ⑦ 清洗电动机,改善环境温度,采用降温措施。


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