1、FANUC Alpha系列伺服電機和伺服放大器結構和維修方法(1)1.         FANUC 的交流伺服電機與直流伺服電機相比，交流伺服伺服電機具有免維護，低損耗，體積小的特點，在現代控制領域已經逐步取代了直流伺服電機，交流伺服電機被廣泛地應用到各個控制領域，FANUC 從80年代開始逐步使用交流伺服電機，從開發應用到目前被廣泛使用的Alpha 系列伺服電機，經過了三代的更新，從模擬的交流控制單元驅動的伺服電機，到S系列電機，從而又發展成為現在使用的交流Alpha 系列伺服電機，從伺服電機的性能上得到了提高，

2、而電機的體積更小，特別是現在使用的Alpha 系列的伺服電機，電機的型號更全，并采用了磁更強的材料，伺服電機的反饋使用了高速高精度的串行位置編碼器，可以適用于各種不同的絲杠而不需要選定編碼器的線數，并且該系列具有標準系列，小慣量系列，中慣量系列，經濟型的AC系列和高壓（380V）的HV系列電機等。請參考下表：(1)  交流伺服電機的結構目前，在控制領域中所采用的交流伺服電機一般為同步電機（無刷直流電機），電機主要由三部分組成，即：定子，轉子，和檢測元件構成，其中定子與普通的交流感應電機基本相同，主要有定子沖片，三相繞組線圈，另外還有支撐轉子前后端蓋和軸承等組成，伺服電機的轉子主要由多

3、對極的磁鋼，定子沖片和電機軸構成，檢測元件由安裝在電機尾端的位置編碼器構成，目前Alpha系列的電機的編碼器使用的是串行脈沖編碼器，由于電機的激磁必須和轉子的磁極位置垂直，所以電機的位置反饋要能夠把電機的磁極位置反饋給伺服系統，用以產生交流伺服電機的激磁的矢量控制。電機的結構如圖4-1所示。圖4-1 交流伺服電機的結構交流伺服電機的工作原理實際上與電磁式的同步電機類似，只不過磁場不是由轉子中的激磁繞組產生，而是由作為轉子的永久磁鐵產生，當定子三相繞組通上交流電源后，電機中就會產生一個旋轉的磁場，該磁場將以同步轉速Ns旋轉。根據磁場的特性，定子的旋轉磁極總是要和轉子的旋轉磁極相互吸引，并帶著轉子

4、一同地轉動，使定子磁場的軸心線與轉子磁場的軸心線保持一致，形成電機的旋轉扭矩。一旦由于負載的扭矩發生變化，就會造成磁場的軸線和轉子的軸線發生變化，但總是不超過一定的限度，所以電機的速度就會以Ns=60f/p旋轉。作為同步電機由于電機的轉子慣量、定子和轉子之間的轉速差等因素的影響，經常會造成電機啟動時的失步，為了保證定子和轉子之間總是處于一定的同步狀態，在電機的后面的編碼器都增加了確定轉子位置的絕對位置編碼器，FANUC的電機中使用的是4位格林碼絕對位置編碼器用于確定轉子信息。2.         交流伺服控制的原理

5、要清楚0系統所使用的交流伺服控制系統，就必須要從最基本的交流（模擬）伺服系統的控制原理開始，雖然目前FANUC所應用的都是Alpha系列伺服放大器，伺服的控制已經完全數字化，其伺服控制的結構已經完全軟件化了，直接來對其進行分析，比較困難，但是，其基本的結構和原理都源于模擬的交流伺服控制結構，所以，這里我們首先要了解一下模擬的交流伺服系統的控制結構。圖4-2位置環控制框圖和圖4-3速度控制單元控制框圖描述了作為伺服控制的主要控制結構。(1) 位置環的控制原理圖4-2 位置環控制框圖位置控制作為數控系統的主要控制工作之一，決定著系統進行位置控制性能優略，位置環作為伺服控制系統的最外環，以位置指令作

6、為控制對象，在FANUC0系統中，位置環控制系統是在系統內部來完成的，為了提高系統的集成度和可靠性，FANUC采用了大規模集成電路芯片（LSI），每一個控制軸需要1片，該芯片使用先進的加工工藝，大大地降低了芯片的溫升。該芯片功能強大，包括了插補器、位置誤差計數器、D/A轉換器、參考計數器、螺距誤差補償，反間隙補償、增益計算、脈沖編碼器鑒相器、用于感應同步器的鑒相和正弦余弦發生器電路等。在圖4-2中，簡要地描述了位置控制的基本結構，其中包括了位置控制芯片LSI的部分內容，首先系統的位置指令通過總線給LSI中的插補器，插補器會產生一系列指令脈沖，該指令脈沖經過CMR乘積后輸出到位置誤差計數器中，而

7、電機反饋的脈沖編碼器的脈沖經過方向鑒別電路以后也處理成了一系列脈沖，該脈沖經過檢測被乘比乘積后也輸出到位置誤差計數器中，該位置誤差計數器為一雙向計數器，該計數器用于積分計算，當指令與反饋的差增大時，該計數器的數值增大，當指令與反饋的差減小時，該計數器的數值減小，計數器的差值與環增益的乘積即為速度環的速度指令，該指令經D/A轉換后，作為速度控制單元的速度指令模擬信號（Vcmd）。而實際上位置環的處理中包括了絲杠反間隙和螺距誤差補償信號。在位置控制LSI中也包括了用于柵格回零的參考計數器控制電路，該電路用于確定坐標的機械零點控制。在位置環控制中最關鍵的部分是誤差計數器，該計數器的值會反映系統的指令

8、和電機的運行情況，該值的大小可以通過系統的診斷來觀察，診斷的號碼為DGN 800 （X）、DGN801（Y）、DGN802（Z）、DNG803（4），因為該計數器的輸出為速度環的指令，所以該值決定了電機的速度。伺服環增益：PRM 517 0.01/SecDMR：PRM 004007除了位置控制的電路以外，PRDY伺服準備信號、VRDY伺服準備完成信號和ENBL用于系統監測和控制速度控制單元的狀態，當系統的電源打開后，系統在伺服的初始化過程中，會發出PRDY信號，速度控制單元如工作正常則會發回一個VRDY信號，作為速度單元工作正常的回答，系統則進入正常工作狀態。一旦沒有接收到VRDY信號，則系統

9、酒會發生ALM#401報警，詳見圖4-3所示。圖4-3 伺服準備的時序(2) 交流速度控制單元（模擬）交流速度控制單元包括了伺服控制的電流環和速度環的雙環控制系統，它將位置環發出的Vcmd指令經過運算和放大后，驅動三相變頻橋組產生與電機轉子相對應的交流旋轉磁場，該旋轉是電機的轉子產生旋轉扭矩。圖4-4 描述了速度控制單元的基本結構。圖4-3 速度控制單元控制框圖在圖4-3的框圖中，可以大致分為兩部分，其中上邊為速度單元的控制部分，下部分為速度控制單元的動力變頻部分，在控制部分中主要是由速度誤差放大器、R/S相的電流指令發生電路、三相R/S/T電流環的調節器電路、PWM脈寬調制電路、三極管的各相

10、的隔離卻動電路以及編碼器鑒相電路和三角波發生器電路組成。控制部分中，速度指令Vcmd和速度反饋信號TSA都輸入到誤差放大器當中，經過誤差放大器的補償后作為控制電機的電流（扭矩）指令，由于交流伺服電機要根據轉子的位置產生交流的旋轉磁場，所以轉子位置檢測電路根據位置編碼器來的信號C1C8和PCA和PCB而產生的R/T相的電流指令，該電流指令再和電機的動力線的R/T相電流相減后輸送到電流環的調節器（電流指令）中，該部分即輸出了三相的電流指令，該指令經過三角波調制后產生了用于驅動六個三極管的PWM脈沖信號，該信號再經過隔離后用于驅動（A-F）。動力變頻部分為功率的主回路，該部分主要由交流整流回路，變頻

11、回路和保護回路組成，整流回路將三相交流電源整流成直流電源，變頻回路利用驅動信號PWMAF將直流電源變換成交流電源用于驅動交流電機。其中還有用于速度控制單元與系統之間的PRDY、ENBL和VRDY信號，從框圖中可以清楚地看到PRDY信號控制MCC的工作過程。FANUC伺服系統維修技術經驗總結及FANUC伺服電機維修方法2  2數字式交流伺服驅動單元的故障檢測與維修(1)驅動器上的狀態指示燈報警 FANUC S系列數字式交流伺服驅動器，設有11個狀態及報警指示燈，指示燈的狀態以及含義見表5-8。以上狀態指示燈中，HC、HV、OVC、TG、DC、LV的含義與模擬式交流速度控制單元

12、相同，主回路結構與原理亦與模擬式速度控制單元相同，不再贅述。表5-8中，OH、OFAL、FBL為S系列伺服增添的報警指示燈，其含義如下。表5-8 FANUCS系列驅動器狀態指示燈一覽表代 號含   義備 注代 號含   義備注PRDY位置控制準備好綠色DC直流母線過電壓報警紅色VRDY速度控制單元準備好綠色LV驅動器欠電壓報警紅色HC驅動器過電流報警紅色OH速度控制單元過熱HV驅動器過電壓報警紅色OFAL數字伺服存儲器溢出OVC驅動器過載報警紅色FBAL脈沖編碼器連接出錯TG電動機轉速太高紅色1)OH報警。OH為速度控制單元過熱報警，發生這個報警的可能原

13、因有：印制電路板上S1設定不正確。伺服單元過熱。散熱片上熱動開關動作，在驅動器無硬件損壞或不良時，可通過改變切削條件或負載，排除報警。再生放電單元過熱。可能是Q1不良，當驅動器無硬件不良時，可通過改變加減速頻率，減輕負荷，排除報警。電源變壓器過熱。當變壓器及溫度檢測開關正常時，可通過改變切削條件，減輕負荷，排除報警，或更換變壓器。電柜散熱器的過熱開關動作，原因是電柜過熱。若在室溫下開關仍動作，則需要更換溫度檢測開關。2)OFAL報警。數字伺服參數設定錯誤，這時需改變數字伺服的有關參數的設定。對于FANUC 0系統，相關參數是8100，8101，8121，8122，8123以及81538157等

14、；對于10/11/12/15系統，相關參數為1804，1806，1875，1876，1879，1891以及18651869等。3)FBAL報警。FBAL是脈沖編碼器連接出錯報警，出現報警的原因通常有以下幾種：編碼器電纜連接不良或脈沖編碼器本身不良。外部位置檢測器信號出錯。速度控制單元的檢測回路不良。電動機與機械間的間隙太大。(2)伺服驅動器上的7段數碼管報警 FANUC C系列、/i系列數字式交流伺服驅動器通常無狀態指示燈顯示，驅動器的報警是通過驅動器上的7段數碼管進行顯示的。根據7段數碼管的不同狀態顯示，可以指示驅動器報警的原因。FANUC C系列、電源與驅動器一體化結構型式(SVU型)的/

15、i系列交流伺服驅動器的數碼管狀態以及含義見表5-9。表5-9 FANUC C/i系列(SVU型)7段數碼管狀態一覽表數碼管顯示含    義備    注速度控制單元未準備好開機時顯示0速度控制單元準備好1速度控制單元過電壓報警同HV報警2速度控制單元欠電壓報警同LV報警3直流母線欠電壓報警主回路斷路器跳閘4再生制動回路報警瞬間放電能量超過，或再生制動單元不良或不合適5直流母線過電壓報警平均放電能量超過，或伺服變壓器過熱、過熱檢測元器件損壞6動力制動回路報警動力制動繼電器觸點短路8L軸電動機過電流第一軸速度控制單元用9M軸電動機過電流第二

16、軸速度控制單元用bL/M軸電動機過電流8L軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低第一軸速度控制單元用9M軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低第二軸速度控制單元用bL/M軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低采用公用電源模塊結構型式(SVM型)的FANUC/i系列數字式交流伺服驅動器，數碼管狀態以及含義見表5-10；有關電源模塊的狀態顯示及故障診斷詳見本書第7章第7.2.4表5-10 FANUC/i系列(SVM型)7段數碼管狀態一覽表數碼管顯示含    義備    注速度控制單元未準備好0速度控制單元準備好1風機單元報警2速度控制單元+5V

17、欠電壓報警5直流母線欠電壓報警主回路斷路器跳閘81軸電動機過電流一軸或二、三軸單元的第一軸9M軸電動機過電流二、三軸單元的第二軸AN軸電動機過電流二、三軸單元的第三軸bL/M軸電動機同時過電流CM/N軸電動機同時過電流dL/N軸電動機同時過電流EL/M/N軸電動機同時過電流8L軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低一軸或二、三軸單元的第一軸9M軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低二、三軸單元的第二軸AN軸的IPM模塊過熱、過流、控制電壓低二、三軸單元的第三軸bL/M軸的IPM模塊同時過熱、過流、控制電壓低CM/N軸的IPM模塊同時過熱、過流、控制電壓低dL/N軸的IPM模塊同時過熱、過流、控制電

18、壓低EL/M/N軸的IPM模塊同時過熱、過流、控制電壓低FANUC 系列數字式交流速度控制單元，帶有POWER、READY、ALM 3個狀態指示燈與7段數碼管狀態顯示，指示燈與數碼管的含義見表5-11。(3)系統CRT上有報警的故障1)FANUC-0系統的報警。FANUC數字伺服出現故障時，通常情況下系統CRT上可以顯示相應的報警號，對于大部分報警，其含義與模擬伺服相同；少數報警有所區別，這些報警主要有：4N4報警：報警號中的N代表軸號(如：1代表X軸：2代表Y軸等，下同)，報警的含義是表示數字伺服系統出現異常，詳細內容可以通過檢查診斷參數；診斷參數的意義見本書第5.2.3節。表5-11 FA

19、NUC系列7段數碼管狀態一覽表POWER燈READY燈ALM燈數碼管顯示含    義備    注O速度控制單元未準備好開機時顯示OO速度控制單元準備好OY速度控制單元過電壓報警同HV報警OP直流母線欠電壓報警主回路熔斷器跳閘OJ再生制動回路過熱報警瞬間放電能量超過，或再生制動單元不良或不合適Oo過熱報警速度控制單元過熱OC風扇故障報警Oc過電流報警主回路過流4N6報警：表示位置檢測連接故障，可以通過診斷參數作進一步檢查、判斷，參見本章第5.2.3節。4N7報警：表示伺服參數設定不正確，可能的原因有：a)電動機型號參數(FANUC 0為

20、8N20、FANUCll/15為1874)設定錯誤。b)電動機的轉向參數(FANUC 0為8N22、FANUCll/15為1879)設定錯誤。c)速度反饋脈沖參數(FANUC 0為8N23、FANUCll/15為1876)設定錯誤。d)位置反饋脈沖參數(FANUC 0為8N24、FANUCll/15為1891)設定錯誤。e)位置反饋脈沖分辨率(FANUC 0為037bit7、FANUCll/15為1804)設定錯誤。940報警：它表示系統主板或驅動器控制板故障。2)FANUCl0/11/12/15系統的報警。當使用數字伺服時，在FANUC l0/11/12及FANUC15上可以顯示相應的報警。

21、這些報警中，SV000SVl00號報警的含義與前述的模擬伺服基本相同，不再贅述。對于數字伺服的特殊報警主要有以下幾個。SVl01報警：絕對編碼器數據出錯報警。可能的原因是絕對編碼器不良或機床位置不正確。SVll0報警：串行編碼器報警(串行A)。可能的原因是串行編碼器不良或連接電纜不良，具體內容可以參見/系列伺服驅動器報警說明。SVlll報警：串行編碼器報警(串行C)，原因同上。SVll4報警：串行編碼器數據出錯。SVll5報警：串行編碼器通信出錯。SVll6報警：驅動器主接觸器(MCC)不良。SVll7報警：數字伺服電流轉換錯誤。SVll8報警：數字伺服檢測到異常負載。3)FANUCl6/18

22、系統的報警。在FANUCl6/18系統中，當伺服驅動器出現報警時，CNC亦可顯示相應的報警信息，這些信息包括：ALM400報警：伺服驅動器過載，可以通過診斷參數DGN201進一步分析，有關DGN201的說明見后述。ALM401報警：伺服驅動器未準備好，DRDY信號為“0”。ALM404報警：伺服驅動器準備好信號DRDY出錯，原因是驅動器主接觸器接通(MCON)未發出，但驅動器DRDY信號已為“1”。ALM405報警：回參考點報警。ALM407報警：位置誤差超過設定值。ALM409報警：驅動器檢測到異常負載。ALM410報警：坐標軸停止時，位置跟隨誤差超過設定值。ALM411報警：坐標軸運動時，

23、位置跟隨誤差超過設定值。ALM413報警：數字伺服計數器溢出。ALM414報警：數字伺服報警，詳細內容可以參見診斷參數DGN200204的說明。ALM415報警：數字伺服的速度指令超過了極限值(511875P/s)，可能的原因是機床參數CMR設定錯誤。ALM416報警：編碼器連接出錯報警，詳細內容可參見診斷參數DGN201的說明。ALM417報警：數字伺服參數設定錯誤報警，相關的參數有：PRM2020/2022/2023/2024/2084/2085/1023等。ALM420報警：同步控制出錯。ALM421報警：采用雙位置環控制時，位置誤差超過。在系統使用絕對編碼器時，報警還包括以下內容：AL

24、M300報警：坐標軸需要手動回參考點操作。ALM301報警：絕對編碼器通信出錯。ALM302報警：絕對編碼器數據轉換出現超時報警。ALM303報警：絕對編碼器數據格式出錯。ALM304報警：絕對編碼器數據奇偶校驗出錯。ALM305報警：絕對編碼器輸入脈沖錯誤。ALM306報警：絕對編碼器電池電壓不足，引起數據丟失。ALM307報警：絕對編碼器電池電壓到達更換值。ALM308報警：絕對編碼器電池報警。ALM308報警：絕對編碼器回參考點不能進行。在系統使用串行編碼器時，串行編碼器報警內容如下：ALM350報警：串行編碼器故障，具體內容可以通過診斷參數DGN202/204檢查。ALM351報警：串

25、行編碼器通信出錯，具體內容可以通過診斷參數DGN203檢查。3交流伺服電動機的維修(1)交流伺服電動機的基本檢查 原則上說，交流伺服電動機可以不需要維修，因為它沒有易損件。但由于交流伺服電動機內含有精密檢測器，因此，當發生碰撞、沖擊時可能會引起故障，維修時應對電動機作如下檢查：1)是否受到任何機械損傷?2)旋轉部分是否可用手正常轉動?3)帶制動器的電動機，制動器是否正常?4)是否有任何松動螺釘或間隙?5)是否安裝在潮濕、溫度變化劇烈和有灰塵的地方?等等。(2)交流伺服電動機的安裝注意點 維修完成后，安裝伺服電動機要注意以下幾點：1)由于伺服電動機防水結構不是很嚴密，如果切削液、潤滑油等滲入內部

26、，會引起絕緣性能降低或繞組短路，因此，應注意電動機盡可能避免切削液的飛濺。2)當伺服電動機安裝在齒輪箱上時，加注潤滑油時應注意齒輪箱的潤滑油油面高度必須低于伺服的輸出軸，防止潤滑油滲入電動機內部。3)固定伺服電動機聯軸器、齒輪、同步帶等連接件時，在任何情況下，作用在電動機上的力不能超過電動機容許的徑向、軸向負載(見表5-12)。表5-12 交流伺服電動機容許的徑向、軸向負載電機形式容許的徑向負載電機形式容許的徑向負載10，2025kg10，20，30，30R450kg0， 575kg4)按說明書規定，對伺服電動機和控制電路之間進行正確的連接(見機床連接圖)。連接中的錯誤，可能引起電動機的失控或振蕩，也可能使電動機或機械件損壞。當完成接線后，在通電之前，必須進行電源線和電動機殼體之間的絕緣測量，測量用500兆歐表進行：然后，再用萬能表檢