交流伺服电机特性与过载检测分析①

朱 强, 夏 彪

(1.芜湖职业技术学院 机械工程学院，安徽 芜湖 241006；2.北京发那科机电有限公司，北京 100085)

0 引 言

伺服电机驱动工作台运行需要提供扭矩，提供的扭矩输出是克服机床摩擦力以及切削抗力。随着机床负载变化，伺服电机的输出扭矩也随之变化，当输出扭矩超出伺服电机的额定扭矩时，电机会发出过载报警。产生过载报警的因素有很多，包括机械、电气、系统参数设置等因素。在工厂现场处理过载报警的解决方案，一般是通过过载报警号，查看报警说明，然后依据维修经验对机床的机械、电气、加工程序、系统参数设置等诸多因素进行逐项排查，此种方法耗时耗力，效率低下。从伺服电机特性的角度，对工作现场的过载报警进行检测分析，提出具有实际参考价值的解决方案。

1 伺服系统控制原理

数控机床的伺服系统是由伺服轴卡、伺服驱动器和伺服电机组成，伺服系统接受CNC所发出的位置指令来驱动电动机进行定位控制，其控制方式如图1所示。

图1 伺服系统控制框图

伺服控制系统的核心是位置、速度、电流的三环控制，三环控制的目的就是确保伺服电机定位及输出转速和转向的准确性。从图1可以看出，伺服电机在数控机床中作为执行元件，它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，伺服电机编码器，用来检测电机转速或位置，并反馈CNC进行位置与速度的比较控制。如果电机输入电流过大、机械负载超额、编码器损坏等，都会导致电机过载报警。

2 伺服电机速度-扭矩特性分析

交流伺服电机的定子是由铁芯和三相励磁绕组组成，该绕组通入三相交流电，产生旋转磁场，伺服电机的转子是永磁体，在定子产生旋转磁场的作用下，转子和磁场同步旋转。机床在实际运行中，是由伺服电机转子旋转提供扭矩驱动运动轴运转，提供的扭矩主要作用是克服机床摩擦力以及抵抗切削力。因此，以负载扭矩作为指标是机床伺服电机选择的一项重要指标，FANUC伺服电机的规格是以扭矩作为标准进行规格分类，如表1所示。

表1 FANUC伺服电机规格说明

表1中有一个重要的规格参数“堵转扭矩”，其含义是电机从停止到运行启动的一瞬间，克服机床静摩擦力所能够提供的扭矩输出。机床运行后，机械动摩擦力变小，需要电机输出的扭矩也随之变小，所以只要电机堵转扭矩满足机械负荷(动摩擦力加切削抗力)，从输出扭矩这项规格上来说，就基本满足机械方面要求。

图2是伺服电机速度-扭矩曲线图，横坐标为速度、纵坐标为扭矩，0速是扭矩值为2 N·m，代表电机的堵转扭矩为2N·m，在0速到电机最高转速4000转的范围内，电机扭矩输出基本保持2N·m输出，这段区域称之为电机的恒扭矩区，在这段区域内，电机可以通过速度和扭矩的任意组合来连续工作而保持温度恒定，所以称之为伺服电机工作的“连续工作区域”。

图2 伺服电机速度-扭矩特性图

在连续工作区域上方的区域为电机的“断续工作区域”，主要是用来提供电机加速和异常负载情况下扭矩的输出，此时电机最高扭矩输出通常是堵转扭矩的3～4倍。但这段区域扭矩输出时，伺服电机不能连续工作，如果连续工作，电机就会持续温升，出现电机发热现象，系统就发会SV438过电流报警，因此这段区域就称之为“断续工作区”。在连续工作区域外，且在断续工作区域内，伺服电机可以在过载特性的曲线范围内断续使用。

3 伺服电机过载特性分析

伺服电机过载特性表示在低速区域以超过连续工作区域的扭矩(过载扭矩)工作时，不受温度限制(因过热或者过电流报警引起的限制)，可以使用的时间负载和ON时间(加载时间)之间的关系。

图3是伺服电机过载特性图，横坐标代表ON时间，纵坐标时间负载代表运行和停止的占空比，坐标值越高，表示电机工作时间越长。所谓时间负载就是在1个周期内扭矩负载时间所占的比率，ON时间是1个周期内扭矩持续负载的时间，如图4所示。

图3 伺服电机过载特性图

图4 时间负载与ON时间关系图

4 伺服电机过载报警与处理

伺服电机处于过载区，但负荷较低时，也可长时间运转，但会持续温升，电机会发热，在伺服电机定子线圈上，有温度检测热敏电阻，可以进行电机温度的检测，当达到温度检测的阈值时，出现电机过热SV430报警。如果过载程度较高时，系统为防止电机出现较高温升，处于保护的目的，会在很短时间内就发出过热报警，但这时电机实际温度并没有很高，因此出现的报警信息为SV436电机的软过热报警。如果是瞬间出现超过伺服驱动器输出的最大电流值时，就会立即出现过流SV438报警，但通常情况下，如果是和负载有关的话，通常代表是电机发生高速的碰撞故障,伺服电机过载常见报警信息如表2所示。

表2 伺服电机过载报警

故障原因如表3所示。

表3 伺服电机过载报警故障原因

现场过载报警涉及的故障因素很多，在故障排查时，可以考虑先从电气上入手，通过电机特性分析，能快速查找到故障原因。比如出现SV436报警时，可以执行伺服初始化操作，载入伺服的标准参数进行判断。另外，很多SV438报警是短路所引起的，很可能是因为电机的绝缘特性下降造成，因此机床防护和日常的保养至关重要。

5 结 语

数控机床过载报警的处理是比较复杂而繁琐的工作，从伺服电机特性的角度阐述了过载的原因，并整理了工作现场过载报警的分析解决方案, 对提高机床工作效率具有实践指导意义。