认知数控机床常见的交流伺服电动机及其驱动控制装置，掌握其分类及其结构特点，能够掌握其安装注意事项。

一、交流伺服电动机

伺服电动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，同时电动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。伺服电动机的精度取决于编码器的精度（线数）。

1.交流伺服电动机的基本常识

交流伺服电动机的结构主要分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁芯中也安放着空间互成90°电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组。交流伺服电动机是一种两相的交流电动机。交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压U f控制绕组两端施加控制电压U k。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。通入励磁绕组及控制绕组的电流在电动机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电动机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电动机的方向也发生改变。为了在电动机内形成一个圆形旋转磁场，要求激磁电压U f和控制电压U k之间有90°的相位差，常用的方法有：

（1）利用三相电源的相电压和线电压构成90°的移相。

（2）利用三相电源的任意线电压。

（3）采用移相网络。

（4）在激磁相中串联电容器。

2.构造

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组R f，它始终接在激磁电压U f上；另一个是控制绕组L，连接控制信号电压U c。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

3.优点

（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

（2）定子绕组散热比较方便。

（3）惯量小，易于提高系统的快速性。

（4）适应于高速大力矩工作状态。

4.基本类型

在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应更好。在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10%～70%；此外，交流电动机的容量可比直流电动机大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

1）异步型

异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1／2，价格仅为直流电动机的1／3。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而令电网功率因数变坏。这种鼠笼转子的异步型交流伺服电动机简称为异步型交流伺服电动机，用IM表示。

2）同步型

同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。而转子不同，按不同的转子结构又分为电磁式和非电磁式两大类。非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式等多种。其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。数控机床中多用永磁式同步电动机。与电磁式相比，永磁式的优点是结构简单，运行可靠，效率较高；缺点是体积大，启动特性欠佳。但永磁式同步电动机采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动机外形尺寸约小1／2，质量减轻60%，转子惯量减到直流电动机的1／5。它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机的主要尺寸是根据视在功率而定的。

5.参数

1）精度

步进电动机的步距角一般为1.8°（两相）或0.72°（五相），而交流伺服电动机的精度取决于电动机编码器的精度。以伺服电动机为例，其编码器为16位，驱动器每接收2的16次方个脉冲，即65 536个脉冲，电动机转一圈，其脉冲当量为360°／65 536＝0.005 5°，并实现了位置的闭环控制，从根本上克服了步进电动机的失步问题。

2）矩频特性

步进电动机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。而交流伺服电动机在其额定转速（一般为2 000 r／min或3 000 r／min）以内为恒转矩输出，在额定转速以上为恒功率输出。

3）过载能力

具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的3倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

4）加速性能

步进电动机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200～400 ms，而交流伺服电动机的加速性能要比步进电动机好。

6.伺服电动机安装注意事项

1）注意油水保护

虽然伺服电动机可以用在可以受水或者是油侵袭的场所之中，但是并不意味着该设备就是完全防水防油的，所以应该注意安装的地点要无油无水，避免将伺服电动机浸泡在水或者油液之中，并且要做好相应的保护措施，最好是能够给设备加装一个油封，用来防止油进入电动机中。

2）注意减轻应力

在安装伺服电动机时应确保电缆不会因为各种外部应力而受到弯曲，也不会因为自重而受到力矩或者受到垂直负荷，所以安装时应该把电缆固定在一个静止的部位，并且使用附加电缆来进行延长，以减轻弯曲应力对电缆的影响。

3）注意轴端负载

每台伺服电动机的径向和轴向负载都有一定的范围，所以在安装时要特别小心刚性联轴器的安装，不要将其过度弯曲，以避免导致轴端负载过大，轴端和轴承之间磨损。如果条件允许，最好使用柔性联轴器，并且要使径向负载低于允许值，从而起到保护轴端和轴承的作用。

以上这三个方面就是在安装伺服电动机时应该注意的几个事项。因为伺服电动机在生产中起着比较重要的作用，所以不仅要尽量选择国内知名的伺服电动机，同时还要在安装时注意这些事情以确保能够正确安装，从而使伺服电动机安装完毕之后能够发挥出最大的功效。

二、伺服驱动器

伺服驱动器又称为“伺服控制器”“伺服放大器”，是用来控制伺服电动机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电动机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电动机的伺服驱动器已经成为国内外研究的热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置三闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。

在伺服驱动器速度闭环中，电动机转子实时速度测量精度对于改善速度环的转速控制动静态特性至关重要。为寻求测量精度与系统成本的平衡，一般采用增量式光电编码器作为测速传感器，与其对应的常用测速方法为M／T测速法。M／T测速法虽然具有一定的测量精度和较宽的测量范围，但有固有的缺陷，主要包括：

（1）测速周期内必须检测到至少一个完整的码盘脉冲，限制了最低可测转速。

（2）用于测速的两个控制系统定时器开关难以严格保持同步，在速度变化较大的测量场合中无法保证测速精度。因此应用该测速法的传统速度环设计方案难以提高伺服驱动器速度跟随与控制性能。

1.工作原理

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电动机。功率驱动单元的整个过程可以简单地说就是AC－DC－AC的过程。整流单元（AC－DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。三菱某型号伺服驱动器外形如图1－3－1所示。

图1－3－1 三菱伺服驱动器

随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多的工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

2.伺服进给系统的要求

（1）调速范围宽。

（2）定位精度高。

（3）有足够的传动刚性和高的速度稳定性。

（4）快速响应，无超调。为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

（5）低速大转矩，过载能力强。一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。

（6）可靠性高。要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰能力。

3.对电动机的要求

（1）从最低速到最高速电动机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其是在低速（如0.1 r／min）或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电动机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般交流伺服电动机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。

（3）为了满足快速响应的要求，电动机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。

（4）电动机应能承受频繁启、制动和反转。

4.伺服驱动器安装要求

（1）安装位置：室内，无水、无粉尘、无腐蚀气体、良好通风。

（2）如何安装：垂直安装，通风良好。

（3）安装到金属的底板上。

（4）如可能，请在控制箱内另外安装通风风扇。

（5）驱动器与电焊机、放电加工设备等使用同一路电源，或驱动器附近有高频干扰设备时，请采用隔离变压器和有源滤波器。

（6）将伺服驱动器安装在干燥且通风良好的场所。

（7）尽量避免受到振动或撞击。

（8）尽一切可能防止金属粉尘及铁屑进入驱动器内。

（9）安装时请确认驱动器固定，不易松动脱落。

（10）接线端子必须有绝缘保护。

（11）在断开驱动器电源后，必须间隔10 s后方能再次给驱动器通电，否则频繁的通断电会导致驱动器损坏。

（12）在断开驱动器电源后1 min内，禁止用手直接接触驱动器的接线端子，否则会有触电的危险。

（13）当在一个机箱内安装多个驱动器时，为了伺服驱动器的良好散热，避免相互间电磁干扰，建议在机箱内采用强制风冷。

（14）通风间隔。典型的机床电气柜伺服驱动器安装间距如图1－3－2所示。

图1－3－2 通风间隔设置

一、FANUC第三方伺服电动机的连接（包括电动机动力线及反馈线的连接两部分）

1.总连接示意

FANUC伺服驱动器与第三方电动机连接的方式有两种，即TYPE A型和TYPE B型。

FANUC串行接口（TYPE A）：如图1－3－3所示。

图1－3－3 TYPE A型连接

A／B相为正弦波增量信号＋高分辨率串行输出电路（TYPE B）：如图1－3－4所示。

图1－3－4 TYPE B型连接

2.动力线的连接

驱动第三方电动机时，必须留意编码器反馈方向和电动机反电动势（BEMF）方向之间的关系。两者之间的关系不同，则动力线连接的方式不同。因此，为了了解电动机反电动势的方向，需要准备示波器。

（1）连接电动机编码器反馈线至SVM（此时，不要连接动力线）。

（2）CNC正常开机后松开急停开关。

（3）之后，按下急停开关，盘动电动机，从位置显示屏幕确认电动机编码器的反馈方向。

（4）连接示波器分别至每根动力线（U、V、W）。测量每根动力线对地之间的电压。

（5）手动朝电动机编码器反馈正向盘动电动机，观察每个BEMF。

（6）如果输出的BEMF波形如图1－3－5所示，则可认为该情况为BEMF的正向。

图1－3－5 BEMF波形

（7）如果BEMF的正向和反馈正向一致，则按如图1－3－6（a）所示进行连接，否则调整为图1－3－6（b）。

图1－3－6 伺服电动机接线

注：动力线相序不正确时，可能造成伺服电动机励磁后抖动或飞车。

3.反馈线的连接

注意：TYPE A和TYPE B连接时各相应管脚的连接。

例如使用海德汉ERM180＋高分辨率串行输出回路时，连接如图1－3－7及图1－3－8所示。

图1－3－7 海德汉连接

图1－3－8 海德汉高分辨率电缆K2连接示意(www.daowen.com)

二、发那科伺服连接

1.以0i C配αi放大器（带主轴放大器）为例的连接（图1－3－9）

以0i C配αi放大器（带主轴放大器）为例的连接（图1－3－9）中，A为主轴指令线，接NC端的JA7A；B为伺服指令线（光缆），连接到系统轴卡的COP10A。

图1－3－9 发那科αi伺服放大器

各放大器之间通信线CXA1A到CXA1B，从电源到主轴连接是水平连接（没有交叉），而从主轴到伺服放大器，再到后面的伺服放大器都是交叉连接，如果连接错误，则会出现电源模块和主轴模块异常报警现象。伺服放大器连接示意如图1－3－10所示。

图1－3－10 发那科放大器连接

注意：

（1）PSM、SPM、SVM（伺服模块）之间的短接片（TB1）是连接主回路的直流300 V电压用的连接线，一定要拧紧。如果没有拧得足够紧，轻则产生报警，重则烧坏电源模块（PSM i）和主轴模块（SPM i）。

（2）AC 200 V控制电源由上面的CX1A引入，和下面的MCC／ESP（CX3／CX4）内部连接，注意一定不要接错接反，否则会烧坏电源板。

（3）PSM的控制电源输入端CX1A的1、2接200 V输入，3为地线。CX3（MCC）和CX1A接线如图1－3－11所示，而和CX4（ESP）的连接如图1－3－12所示。

图1－3－11 CX3和CX1A接线

（a）CX3（MCC）的连接方法；（b）CX1A（AC 200 V）连接

图1－3－12 CX4（ESP）的连接

（4）伺服电动机动力线和反馈线都带有屏蔽层，一定要将屏蔽做接地处理，并且信号线和动力线要分开接地，以免由于干扰而产生报警。αi放大器接地如图1－3－13所示。

图1－3－13 αi放大器接地

放电电阻的接法如图1－3－14所示。

图1－3－14 放电电阻接线

如果不需要外接放电电阻，则CXA20的1－2短接，而CZ6的短接处理不同，需要短接A1－A2，如果错误地短接了B1－B2，则电动机不能正常运行。放电电阻空接如图1－3－15所示。

图1－3－15 放电电阻空接

对于SVU－4／20和SVU2－20／20的放大器，如果不接外置放大器，则CZ7－2或TB不需要短接处理，短接过热信号。

2.在伺服放大器βi系列中，SVPM是带主轴的一体型放大器，其连接如图1－3－16所示

图1－3－16 βi－SVPM放大器连接

注意：

（1）24 V电源连接CXA2C（A1——24 V，A2——0 V）。

（2）TB3（SVPM的右下面）不要接线。

（3）上部的两个冷却风扇要自己接外部200 V电源。

（4）三个（或两个）伺服电动机的动力线放大器端的插头盒是有区别的，CZ2L（第一轴）、CZ2M（第二轴）、CZ2N（第三轴）分别对应XX、XY、YY型标记，动力线都是将插头盒单独放置，根据实际情况装入，所以在装入时要注意一一对应。

上述图中的TB2和TB1不要搞错，TB2（左侧）为主轴电动机动力线，而TB1（右端）为三相200 V输入端，TB3为备用（主回路直流侧端子）（一般不要连接线）。如果将TB1和TB2接反，则测量TB3电压正常（约直流300 V），但系统会出现401报警。

（5）伺服电动机动力线和反馈线带有屏蔽，一定要将屏蔽做接地处理，并且信号线和动力线要分开接地，以免由于干扰产生报警。βi放大器接地如图1－3－17所示。

图1－3－17 βi放大器接地

（6）对不带主轴的βi伺服放大器系列，放大器是单轴型或双轴型，没有电源模块，分SVM1－4／20、SVM1－40／80和两轴SVM2－20／20三种规格。其主要区别是电源和电动机动力线的连接。连接电缆时一定要看清楚插座边上的标注。βi－SVM系列伺服放大器强电端子定义如表1－3－1所示。

表1－3－1 βi－SVM系列伺服放大器强电端子

以SVM1－40／80为例，连接如图1－3－18所示，其他类型的可以参照此图连接。

图1－3－18 SVM1－40／80连接

根据任务完成过程中的表现，填写表1－3－2。

表1－3－2 任务评价

国产SD系列接线

一、注意

（1）外部交流电必须经隔离变压器后才能接到伺服驱动器上。

（2）必须按端子电压和极性接线，防止设备损坏或人员伤害。

（3）驱动器和伺服电动机必须良好接地。

（4）U、V、W与电动机绕组必须一一对应，否则会损坏电动机或驱动器。

（5）电缆及导线须固定好，并避免靠近驱动器散热器和电动机，以免因受热降低绝缘性能。

（6）驱动器内有大容量高压电解电容，在断电后5 min内不可触摸端子或导线。

二、标准接线

本交流伺服驱动器的接线与控制方式等有关。

1.在位置／模拟量控制模式下按照图示要求连接SD15M T／SD20M T／SD30M T／SD50MN线路

SD15MT位置／模拟量控制方式（华大电机、温岭宇海、常州常华、常州新月）标准接线如图1－3－19所示。

图1－3－19 SD15MT位置／模拟量控制方式（华大电机、温岭宇海、常州常华、常州新月）标准接线

SD15MT位置／模拟量控制方式（武汉登奇）标准接线如图1－3－20所示。

图1－3－20 SD15MT位置／模拟量控制方式（武汉登奇）标准接线

SD15MT位置／模拟量控制方式（南京苏强SQA系列）标准接线如图1－3－21所示。

图1－3－21 SD15MT位置／模拟量控制方式（南京苏强SQA系列）标准接线

SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（华大电机、温岭宇海、常州常华、常州新月）标准接线如图1－3－22所示。

图1－3－22 SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（华大电机、温岭宇海、常州常华、常州新月）标准接线

SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（武汉登奇）标准接线如图1－3－23所示。

图1－3－23 SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（武汉登奇）标准接线

SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（南京苏强SQA系列）标准接线如图1－3－24所示。

图1－3－24 SD20MT／SD30MT／SD50MN位置／模拟量控制方式（南京苏强SQA系列）标准接线

2.配线

1）电源端子TB

（1）R、S、T、U、V、W各端子线径必须≥1.5 mm2（AWG14～16），r、t端子线径必须≥1.0 mm2（AWG16～18）。

（2）PE接地线的线径为2 mm2以上。驱动器和伺服电动机必须在驱动器的PE端子上一点接地，接地电阻应＜100Ω。

（3）本机接线端子采用JUT－1.5－3冷压预绝缘端子，务必连接牢固。

（4）SD15M应当采用单相隔离变压器供电，SD20MN、SD30MN、SD50MN、SD75MN应当采用三相隔离变压器供电，以减少电动机伤人的可能性。在市电与隔离变压器之间最好能加装噪声滤波器，提高系统的抗干扰能力。

（5）请安装非熔断型（NFB）断路器，使驱动器在发生故障时能及时切断外部电源。

2）控制信号CN2端子、反馈信号CN1端子

（1）线径：采用屏蔽电缆（最好选用绞合屏蔽电缆），线径≥0.12 mm2，屏蔽层需接FG端子。

（2）线长：电缆长度尽可能短，控制信号CN2电缆不超过3 m，反馈信号CN1电缆长度不超过20 m。

（3）布线：远离动力线路布线，以防干扰串入。

（4）请给相关线路中的感性元件（线圈）安装浪涌吸收元件：直流线圈反向并联续流二极管，交流线圈并联阻容吸收回路。

三、SD15MT／SD20MT／SD30MT／SD50MN端子功能

1.端子配置

图1－3－25所示为伺服驱动器接口端子配置图。其中TB1为SD15MT／SD20MT／SD30MT端子排，TB2为SD50MN端子排；CN2为DB25接插件，插座为针式，插头为孔式；CN1也为DB25接插件，插座为孔式，插头为针式。

图1－3－25 SD15MT／SD20MT／SD30MT／SD50MN伺服驱动器接口端子配置

说明：在模拟量速度控制模式时，Vin为模拟量输入端，Vingnd为模拟量输入地。AOUT＋、AOUT－、BOUT＋、BOUT－、ZOUT＋、ZOUT－是编码器反馈到系统的信号。

2.电源端子TB（表1－3－3）

表1－3－3 电源端子TB

3.控制端子CN2（表1－3－4）

表1－3－4 控制信号输入／输出端子CN2

续表

控制方式简称：P代表位置控制方式，S代表模拟量速度控制方式。

4.反馈信号端子CN1（表1－3－5）

表1－3－5 反馈信号端子CN1

续表