交流伺服系统的应用

交流伺服系统包含交流伺服驱动器和伺服电机。选用伺服系统，主要为了进行精密的定位控制，伺服驱动器在位置控制模式下运行，控制框图如图一所示。

图一 位置闭环控制

一.目前常用的伺服电机是三相交流永磁同步伺服电机，这种电机具有动态特性好、定位精度高的特点。之所以称为“伺服”电机，是因为电机轴末端裝有编码器，其反馈信号可与伺服驱动器构成闭环控制。常用的编码器是光电式增量编码器，根据输出信号的不同特点，可分为6路信号标准编码器；三路信号省线式编码器；串行通信总线式编码器。

标准编码器输出信号：A、B、Z、U、V、W，其中A、B为正交编码脉冲，占空比为50%，相位差是90度电角度，根据超前、滞后关系，可区分电机正、反转；将A、B信号上升沿和下降沿均取出来，可得到4倍频脉冲信号。例如，国内常用的2500C/T编码器，四倍频后，电机旋转一圈，编码器能产生10000个反馈脉冲。

Z为零位脉冲（也称索引脉冲），每转输出一个脉冲，做定位信号；

U、V、W为检测转子磁极位置的信号，即为驱动器提供伺服电机转子的位置信息，以决定注入定子绕组电流的初始相位，保证伺服电机有足够的起动转矩。正常启动之后，伺服驱动器能用Z脉冲修正转子位置，精确的转子旋转位置由A、B信号获取，此时伺服驱动器已不再需要U、V、W信号了，这就是产生省线式编码器的原因。

省线式编码器：在同样的输出线上分时输出A、B、Z信号和U、V、W信号，虽然引出线只标注A、B、Z信号，但起动时还是先在标有A、B、Z的信号线上对应输出U、V、W信号，然后输出A、B、Z信号，使光电编码器的信号输出线减少了一半，焊接插头的工作量大大减少，出差错、出故障的概率也大大减小了。

总线式增量编码器：只需一对差分信号线，即PS+和PS-，是串行通信信号，按专有协议输出代表位置、速率、方向等信息，接线特别简洁，是技术进步的象征，很久以前安川伺服系统就采用此技术，国内应用比较晚。

光电编码器的输出信号，一般要经线驱动芯片（Line Driver），如MC3487、AM26LS31，输出差分信号，差分驱动方式是一个信号传输的好方法，它对噪声不敏感，能消除或减小共模干扰，也能抑制自身产生的电磁干扰，提高了长线传输的可靠性;在伺服驱动器端，用线接收器（Line Receiver）对编码器输出的差分进行接收，信号传输示意图如图二所示。

图二 编码器信号传输示意图

二.参考图一，伺服驱动器除了要接受编码器反馈信号外，在位置控制模式下还必须接收来自上层控制器的指令脉冲。上层数字控制器一般提供脉冲和方向信号，每一脉冲对应电机进给一步，方向信号以高低电平控制电机正反转;与此对应，伺服驱动器位置指令脉冲输入方式应设置为：脉冲+符号。

控制器输出的位置指令，一般是经线驱动器处理的差分对信号，而驱动器一般用高速光耦接收位置指令脉冲，参考图三。

图三 位置指令脉冲传输

控制器（如数控系统、PLC、定位模块等）输出的位置指令，由伺服驱动单元来执行伺服电机的驱动。脉冲个数决定伺服电机转动的角度（或工作台移动的距离），脉冲频率决定电机的转速，在额定负载能力范围内，电机输出力矩由负载决定，负载越大则电机力矩越大。工业上常见的各种专用、通用CNC机床，伺服系统均工作于位置控制模式。

三.伺服驱动常用的数字量（开关量）输出信号有如下几个：

SRDY:伺服准备好信号。主电源正常且驱动器无报警，则输出导通（ON），否则输出截止（OFF）；

COIN:定位完成信号。位置偏差小于参数设定值则ON，否则OFF；

ALM：报警信号，伺服驱动器检测到异常，输出ON,无警报则OFF，（也有无报警输出ON，故障时OFF）。

数字输出口，流行光电隔离输出，输出级与伺服单元内部电路完全隔开。伺服输出口既有固定功能输出口，也有功能可编程输出口，各厂家互不相同。

输出口的电路结构也稍有不同，可以从光耦的集电极和发射极独立输出+、-信号端子（如图四左侧电路），也可以将输出光耦的发射极于驱动器内部连接在一起，引出一个公共端子，供各数字输出口共同使用。（如图四右侧电路），光耦输出级导通时，C、E极之间大约有1V的压降，不满足TTL低电平标准，不能和TTL电路直接相连。

图四 数字量输出接口

四.对于开关量输入接口，常使用独立的外部开关电源对信号回路供电，控制器用继电器常开触点或开集电极三极管、光耦进行控制，如图五所示。

图五 数字量输入接口

继电器应选接触电阻小的微型继电器，可将两个常开点并接使用，以减小接触电阻，并增加可靠性。

数字输入口常用的信号是使能信号SON，不加使能信号，伺服电机轴不锁止，可自由转动；加上使能信号后，电机轴锁止，此时发位置脉冲，电机就会带动工作台移动；只发脉冲而不加使能信号，电机不会转动。可以用SON信号控制电机的转动和停止，但一般用脉冲控制电机启停，连续发脉冲则伺服电机连续旋转；不发脉冲电机就停转。数控系统检测到伺服驱动器报警信号或系统其它功能电路报警，都会停发脉冲并断开使能信号。

五.使用伺服系统要注意的事项：

1.伺服电机U、V、W电源线必须和驱动器U、V、W端子一一对应连接，禁止用调换端子的方法来改变电机转向，否则电机可能飞车或不转;

2.常用伺服驱动的主电源为三相AC220V，必须经三相变压器降压，将三相AC380V变至三相AC220V，切勿直接连到三相AC380V电源上;

3.伺服驱动处于承上启下的地位，接收来自伺服电机编码器的输入信号，同时又将获得的A、B信号分频后连同Z输出到上级控制器，用于位置控制环配置（注：仅部分设备需要此输出信号），一个输入一个输出，别搞混淆了；

4.如主电路电源用交流接触器来接通和分断，则接触器应选用带阻容吸收器的型号，以吸收线圈产生的浪涌电压。

审核编辑：汤梓红