伺服电机测试平台及维修

白晓东

摘要：伺服系统是工业生产中非常重要的机械控制系统。目前，伺服控制系统有很多种，如简单位置控制、复杂伺服控制和直接驱动控制。但是，在实际应用中，设备的精度和可靠性对精度、维修的可能性等要求很高。还有待提高，更重要的是工业生产中运行的可靠性和维护的方便性。

关键词：伺服电机；测试平台；维修

引言

一段时间以来，产生了一个全数字化智能伺服电动机系统，伺服电动机控制技术具有自身的内置特点，通过将先进通信技术与电子电气技术相结合，技术水平大大提高，有助于开发过程。随着伺服电机控制技术的使用范围不断扩大，更适合发展需要，它将继续向高端信息、情报和精度发展，从而设计和生产出更好的数字控制产品，从而带来更大的经济效益。

1伺服控制系统的含义

电力伺服控制系统是现代信息发展的产物，是一种较为常见的负反馈系统，依赖于自控制系统，也可以称之为动态动作系统，即控制对象随给定信号的变化而变化。主体、驱动程序、控制器和传感器是伺服控制系统中最重要的元素。在众多部件中，执行器由功放和电机组成；受控对象称为控制器，控制器、受控对象、操作符和检测通信也是不可或缺的组件。根据执行部件的不同，伺服控制系统分为电动伺服系统和电动液伺服系统，电动伺服系统可靠性和稳定性较高，维护和修理相对简单快捷；电动伺服系统以电动马达为中心，具有灵敏度、刚度、时效性等优点，输出力矩较高，速度稍有变化，变得较为稳定。但是，电动液体伺服系统也有许多缺点，如尺寸大、运行噪音大、漏油等。从对反馈比较方法的分析出发，伺服控制系统由脉冲数字比较伺服系统、模比较伺服系统、相位比较伺服系统、全数字伺服系统等几个系统组成。其中，模的应用小于伺服系统，脉冲数的应用范围大于伺服系统。

2伺服电机控制系统组成及控制要求

伺服电机控制系统由PLC、伺服驱动器、伺服电机、触摸屏及其一套单轴的运动机构所形成。控制要求:设计触摸屏操作界面,有手动操作和自动控制的界面,设计有模式转换开关。手动操作时,按下正向或反向的点动按键,伺服电机就可以正向或反向点动运行,并且可以设置速度。自动控制时,通过按下手动按键,伺服控制器首先回到原位,接着进行多点定位控制,每次达到一个点,停留约一秒钟,如此不断循环。按下停止按键,则伺服电机停止运转。

3伺服电机测试平台

3.1调试平台总体设计

调试平台的硬件结构组成和物理连接主要包括直流电动机、Arduino控制器、转换电路、L298N单元、液晶显示器和霍尔传感器。调试平台上的受控电机采用12v 360直流电机，但转速比减速器为30，额定输出转速366r/min，额定转矩为0.1nm。控制器使用arduino开口板，总共有20个输入端、14个输出端、1个晶体、1个顶端机器资料连接器和1个电源连接器。借助可选的L298N驱动器，直流电机直接驱动，通过更改输入的逻辑电平控制正反转。1602液晶显示器配备1602液晶显示器，一旦定义了显示器内容，即可在连接主电路后实时读取电机转速和PID参数，以便于观察和调试。调试平台测速模块采用霍尔传感器，每隔10毫秒向控制器和显示器返回信号，传感器编码精度为390电线。转换器模块设计在平台上，主要用于单元与电源之间的信号传输。平台底板使用透明的丙烯酸板作为切割孔，发动机装配架由三维打印机加工。因为平台没有批量生产，所以转换电路是在软件中设计的，并手动焊接在空白板上。

3.2伺服驱动器及电机的选用

选用德普信DSL200-F1型伺服驱动器及配套130ST-M1025型的伺服电机。DSL200-F1系列可以配套各种开环、半闭环和闭环系统,是德普信公司专门针对位置、速度、扭矩控及位置转速度等应用场合开发的一款高性价比产品,满足绝大部分行业的使用要求。选用了国外领先的电机控制系统专用DSP处理器和IPM智能功率模组,集成化度高、容积小、保护系统完整、安全性较好。通过最优PID算法实现的PWM控制技术,性能已达到了同类产品的领先水准。可连接三菱FX系列PLC及脉冲发生器和定位模块。

3.3驱动电路

该驱动模块使用典型的L298N驱动芯片，理论上最大电压为46V，最大功率为25W，但仅限于其他模块，最大功率为24V，平台引擎工作电压为12V。d 1 - d 8二极管被添加到芯片输出端口，以防止发动机在运行过程中产生的电动势干扰驱动芯片。驱动芯片输入IN1、IN2、IN3、IN4是控制输入，其中IN1、IN2控制发动机mg1；变频器的电压已插入。如果更改输入电平，则可以控制电机的正反转，其中调速是高电平工作比。调试时发现发热问题严重，分析的原因可能是发动机负荷和转速变化有一定影响，因此双向h桥平行运行，以减少芯片发热。芯片的逻辑驱动电路包含4个通道。

3.4原点回归的程序设计

控制伺服电机要明白位置控制的三要素，即位置移动方向（电机转动方向）、位置移动速度（电机转速）、位置移动距离（相对和绝对）。原点回归采用ZRN指令来实现，ZRN指令只能从一个方向回归原点，并且是反转方向，就是当前值计数器的数值减少的方向。三菱PLC指令中D是双重的意思，在做数据处理时，一般是对数据做16位数处理。如果在指令前加“D”，PLC在执行改程序时对数据做32数据处理，同时在处理每步数据时都是占用两个连号的数据寄存器。当原点回归指令开始运行时，PLC将高速脉冲发送给驱动器，经过驱动器再给到电机，这时候M8340置ON，可用于表示正在输出脉冲。电机转动回归原点，带动工作台向左边移动，当移动到原点信号位置时，减速到爬行速度，经过原点信号区后就会停下，所停的位置就是原点位置。电机速度从0加速到基底速度，基地速度就是初始速度，伺服电机一般为0，步进电机不能为0，否则会发生失步。然后再加速到原点回归速度，触发近点信号后减速到爬行速度。完成指令后M8029置ON。

4维修过程

(1)维护阶段，2)拆下伺服电机编码器，并将编码器代码板置于粉末和强光下。拆下发动机并拆下转子。3)更换转子轴承(转子轴承必须由转子保护，因为转子是一种永磁体，更换轴承时容易被许多铁屑吸收，如果不清洁，会影响伺服电机的使用寿命；4)安装伺服电动机；电机转速控制已禁用。(2)步骤1)用带有正u和负v的12VDC电源适配器打开伺服电动机的UV绕组，使曲轴处于平衡位置；2)通过伺服放大器观察编码器的u信任号和z信号；编码器位置调整:4)在调整位置时观察放大器伺服，直至编码器与电机的位置关系固定并拧紧圆盘螺钉。当电机空闲时，会调整伺服电动机的零点位置，使其在断电后返回初始位置。

结束语

随着PLC技术、变频器技术以及伺服控制的快速普及与推广,在步进电机和伺服电机与执行部件之间的定位控制,在电子工业中获得了日益普遍的运用。伺服电机不仅可以进行精确的转速控制,同时还可以进行更精确的角度(位置)控制,并具备了更高级的动态特性。

参考文献

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