进给系统的电气安装与调试

任务导入

GSK218Mb-CNC铣床，采用交流电动机进给伺服驱动系统（见图2-1-1）。试将伺服电动机、伺服驱动器与数控系统（GSK218Mb、GSK218M）连接起来，并能有效排除调试运行中的电气故障。

图2-1-1 GSK218犕系统进给伺服驱动系统控制

任务目标

（1）能看懂交流伺服驱动系统电气控制原理图，根据电气控制原理图能进行伺服电动机、驱动器、数控系统的线路连接及调试。

（2）能排除交流伺服驱动系统的常见电气故障。

任务分析

由图2-1-1可知，伺服电动机是通过伺服驱动器与数控系统连接起来的，数控装置发出的指令直接通过伺服驱动器控制伺服电动机运转。要对交流伺服驱动系统进行正确的电气连接与调试，首先必须了解伺服电动机与伺服驱动器的结构与工作原理。只有掌握了工作原理，才能准确地找出运行中的故障点，可靠地排除故障。

因此，本任务具体学习步骤为：伺服电动机种类→永磁式伺服电动机的结构与工作原理→伺服驱动器工作原理→交流伺服驱动系统的电气安装→交流伺服驱动系统常见电气故障检修。

任务实施

一、相关知识

1．永磁式交流伺服电动机

伺服电动机是进给伺服系统的电气执行部件，现代数控机床进给伺服电动机普遍采用永磁式交流伺服电动机。

1）结构

永磁式交流伺服电动机即同步型交流伺服电动机，是一台机组，由永磁同步电动机、转子位置传感器、速度传感器等组成。

如图2-1-2所示，永磁同步电动机主要由三部分组成：定子、转子和检测元件（转子位置传感器和测速发电机）。其中定子有齿槽，内有三相绕组，形状与普通异步电动机的定子相同；其外圆多呈多边形，且无外壳，以利于散热，避免电动机发热对机床精度产生影响。

2）工作原理

如图2-1-3所示，当定子三相绕组通上交流电源后，就产生一个旋转磁场，该旋转磁场将以同步转速狀s旋转。由于磁极同性相斥、异性相吸，定子旋转磁场与转子的永磁磁场磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速狀s与旋转磁场一起旋转。当转子轴加上外负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个ε角，随着负载增加，口也随之增大；负载减少时，ε角也减小；只要外负载不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速狀s旋转。

若设其转速为狀r，狀r＝狀s＝60犳／狆，即转子转速由交流供电电源频率犳和磁极对数狆决定。

图2-1-2 永磁同步电动机结构

（a）永磁同步电动机横剖面 （b）永磁同步电动机纵剖面

图2-1-3 永磁交流伺服电动机的工作原理

当外负载超过一定极限后，转子不再按同步转速旋转，甚至可能不转，这就是同步电动机的“失步”现象，此负载的极限称为最大同步转矩。

3）特点

（1）交流伺服电动机的机械特性比直流伺服电动机的机械特性要硬，其直线更为接近水平线。另外，断续工作区范围更大，尤其是高速区，这有利于提高电动机的加、减速能力。

（2）高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机的换向器和电刷，工作寿命由轴承决定。因无换向器及电刷，也省去了此项目的保养和维护费用。

（3）主要损耗在定子绕组与铁芯上，故散热容易，便于安装热保护；而直流电动机损耗主要在转子上，散热困难。

（4）转子惯量小，其结构允许高速工作。

（5）体积小，质量小。

2．伺服驱动控制系统

1）伺服电动机的驱动与控制

如图2-1-4所示，进给伺服系统主要由以下几个部分组成：伺服驱动系统、检测与反馈装置（即检测与反馈单元）、机械执行部件。其中伺服驱动系统包括伺服驱动电路与伺服驱动元件（伺服电动机），伺服驱动电路包括位置控制电路（即位置控制单元）与速度控制电路（即速度控制单元）。

检测反馈元件如安装在电动机轴上或丝杠端部为半闭环控制，如装在机床工作台上则为闭环控制。数控装置根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令（即一串脉冲或一组二进制数据），安装在机械执行部件或其他传动元件上的位置检测元件，将执行部件的实际位移量转换成电脉冲或模拟电压量后，反馈到输入端，并与输入指令位置信号进行比较，形成位置偏差。随后将两者的差值放大和变换，控制伺服电动机驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。

图2-1-4 数控机床进给伺服驱动系统

进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制，进给伺服系统实际上是外环为位置环、内环为速度环的双闭环控制系统，速度环中还包含电流环。因此，从控制原理的角度来看，进给伺服驱动系统可分为三环，即位置环、速度环和电流环。位置环即位置控制单元，它接收控制指令脉冲和位置反馈脉冲，位移指令位置与反馈信号实际位置进行比较后得到位置偏差，位置偏差经变换放大作为速度指令发往速度控制单元；机械执行部件或伺服电动机上的测速装置测得的电动机转速信号与速度控制指令进行比较，构成速度环控制，速度环将速度偏差信号进行处理，产生电流信号；电流环将电流信号以及由电流检测元件实测的伺服电动机反馈电流信号进行处理，再驱动大功率元件，产生伺服电动机的驱动电流，控制伺服电动机转速的大小，以实现对进给位置的控制。

2）GSK218M系统交流伺服系统的连接

GSK218M系统数控车床交流伺服系统通常使用DA98型伺服驱动器，DA98型交流伺服驱动器可与国内外多款伺服电动机配套使用，常用的配套伺服电动机有广州数控的SJT系列以及华中科技大学电机厂的STZ、Star系列。

GSK218M-CNC与伺服电动机通过伺服驱动器连接，伺服驱动器与GSK218M-CNC是通过CNC的XS30和XS31脉冲接口与驱动器的CNC接口连接。GSK218MT-CNC连接伺服驱动装置如图2-1-5所示，为半闭环系统。

3）DA98型全数字式交流伺服驱动器

DA98型全数字式交流伺服系统是国产第一代全数字交流伺服系统，与步进系统相比，DA98型全数字式交流伺服系统具有以下优点：

（1）避免失步现象。伺服电动机自带编码器，位叠信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环。

（2）控制系统。宽速比、恒转矩调速比为1∶5000，从低速到高速都具有稳定的转矩特性。

（3）高速度、高精度。伺服电动机最高转速可达3000r／min，回转定位精度1／10000r。不同型号的伺服电动机最高转速不同。

（4）控制简单、灵活。通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。

二、准备工作

工具、仪表及器材准备如表2-1-1所示。

表2-1-1 工具、仪表及器材

三、实施步骤

1．分辨DA98型接口端子配置

图2-1-6 犇犃98伺服驱动器接口端子配置

（a）TB端子排 （b）DB25接插件

图2-1-6为DA98型伺服驱动器接口端子配置。其中TB为端子排；CN1为DB44接插件，插座为针式，插头为孔式；CN2为DB25接插件，插座为孔式，插头为针式。

（1）电源端子TB。电源端子TB各引脚功能如表2-1-2所示。

表2-1-2 电源端子犜犅各引脚功能

注意：必须按端子电压和极性接线，防止设备损坏或人身伤害。

（2）控制端子CN1。控制信号输入／输出端子CN1各引脚功能如表2-1-3所示。

表2-1-3 控制端子犆犖1各引脚功能

（续表）

（3）反馈信号端子CN2。反馈信号输入／输出端子CN2各引脚功能如表2 1 4所示。

表2-1-4 反馈信号输入／输出端子犆犖2各引脚功能

（续表）

（续表）

2．准备DA98型驱动器标准配线

1）电源端子TB

（1）线截面积：R、S、T、PE、U、V、W端子，线截面积≥1．5mm2（AWG14-16），r、t端子，线截面积≥1．0mm2（AWG16-18）。

（2）接地：接地线应尽可能粗一点，驱动器与伺服电机在PE端子一点接地，接地电阻＜100Ω。

（3）端子连接采用SVM2-4预绝缘冷压端子，务必连接牢固。

（4）建议由三相隔离变压器供电，减少电击伤人的可能性。

（5）建议电源经噪声滤波器提供电，提高抗干扰能力。

注意：安装非熔断型（NFB）断路器非常重要，可以使驱动器故障时能及时切断外部电源。

2）控制信号CN1、反馈信号CN2

（1）线材选择：采用屏蔽电缆（最好选用绞合屏蔽电缆），线芯截面积≥0．12mm2 （AWG24-26），屏蔽层须接FG端子。

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

（3）布线：远离动力线路布线，防止干扰串入。

注意：相关线路中的感性元件（线圈）要安装浪涌吸收元件：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。

3．绘制伺服驱动系统电气原理图

伺服驱动系统电气控制总电路如图2-1-7所示，CNC与DA98型驱动器信号接线如图2-1-8所示。

4．分析电气控制原理

合上QF1，电源接入到隔离变压器后，供电给伺服驱动器。

数控装置发出的控制信号通过CN1-10、CN1-6、CN1-10和CN17脚，使伺服驱动器获得指令脉冲，然后供给伺服电动机变化的电压，使伺服电动机旋转。这时，编码器开始输出脉冲，伺服驱动器将编码器反馈的脉冲和运动控制卡发出的脉冲相比较，根据电动机的旋转角度来调整伺服驱动器输给电动机的电压，直到编码器的计数脉冲和电动机控制卡的发出脉冲相等时，伺服电动机才停止运行。

5．选择所需用的电气元器件

除GSK218M-CNC外，步进驱动系统电气控制所需主要元器件如表2-1-5所示。

6．安装连接

1）安装伺服电动机

（1）SJT系列伺服电动机采用凸缘安装方式，伺服电动机安装方向任意，但要防止水油等溅入。

（2）拆装带轮时，不可敲击伺服电动机或伺服电动机轴，防止损坏编码器，应采用螺旋式压拔工具拆装。

表2-1-5 伺服驱动部分电气元器件明细

（3）SJT系列伺服电动机不可承受大的轴向、径向负荷，建议选用弹性联轴器连接负载。

（4）固定伺服电动机时需用止松垫圈紧固，以防止伺服电动机松脱。伺服电动机必须可靠接地。

2）安装驱动器

（1）伺服驱动器自身结构无防护，因此，必须安装在防护良好的电柜内，并防止接触腐蚀性、易燃性气体，防止导电物体、金属粉尘、油雾及液体进入内部，环境温度保持在0～50℃。

（2）驱动器可采用底板安装方式或面板安装方式安装，安装方向垂直于安装面向上，为保证散热，安装时尽可能留出较大的间隔，电柜内应有对流风吹向驱动器的散热器。

（3）驱动器电源经隔离变压器及电源滤波器提供，以保证安全性及抗干扰能力。

（4）驱动器必须可靠接地，驱动器的PE端子必须与设备接地端可靠连接。

（5）U、V、W与电动机绕组一一对应连接，不可反接。

3）电源连接

（1）通过电磁接触器将电源接入主电路电源输入端子，三相接R、S、T，单相接R、S。

（2）控制电路的电源r、t与主电路电源同时或先于主电路电源接通，如果仅接通控制电路的电源，伺服准备好信号（SRDY）OFF。

（3）主电路电源接通后，约延时1．5s，伺服准备好信号（SRDY）ON，此时可以接受伺服使能（SON）信号，检测到伺服使能有效，驱动器输出有效，电动机激励，处于运行状态。检测到伺服使能无效或有报警，基极电路关闭，电动机处于自由状态。

（4）当伺服使能与电源一起接通时，基极电路大约在1．5s后接通。

（5）若频繁接通、断开电源，可能会损坏软启动电路和能耗制动电路，接通、断开的频率最好限制在每小时5次、每天30次以下。如果因为驱动器或电动机过热，在将故障原因排除后，还要经过30min冷却，才能再次接通电源。

4）编码器电缆连接

连接电动机与驱动器接口。

5）控制信号端子连接

连接驱动器与数控装置。

7．检测通电调试

1）自检

（1）检查电源端子TB接线是否正确、可靠，输入电压是否正确。

（2）检查电源线、伺服电动机线有无短路或接地。

（3）检查编码器电缆连接是否正确牢固。

（4）检查控制信号端子是否已连接准确，电源极性和大小是否正确。

（5）检查伺服驱动器和伺服电动机是否固定牢固。

（6）检查伺服电动机轴是否未连接负载。

（7）检查电源变压器的进出线顺序。例如，伺服变压器、220V控制变压器、110V控制变压器等。

2）通电试运行

必须检查确认接线无误后，才能接通电源。

（1）连接CN1，使伺服使能（SON）OFF。

（2）接通控制电路电源（主电路电源暂时不接），驱动器的显示器点亮，如果有报警出现，检查连线。

（3）将控制方式选择（参数No．4）设置为位置运行方式（设置为0），根据控制器输出信号方式设置参数No．14，并设置合适的电子齿轮比（No．12、No．13）。

（4）接通主电路电源。

（5）确认没有报警和任何异常情况后，使伺服使能（SON）ON，这时电动机激励，处于零速状态。

（6）操作位置控制器输出信号至驱动CN1-6、CN1-10、CN1-7、CN1-10脚，使伺服电动机按指令运转。

注意：在伺服驱动器及伺服电动机断电后5min内不得触摸，以防止电击；伺服驱动器及伺服电动机运行一段时间后，可能有较高温升要防止被灼伤；建议电源经噪声滤波器供电，以提高抗干扰能力；控制信号CN1、反馈信号GN2屏蔽层须接FG端子；端子连接采用SVM2-4预绝缘冷压端子，务必连接牢固；伺服驱动器故障报警后，重新启动之前须确认故障已排除、SON信号无效；试运行时伺服驱动器SON（伺服使能）须有效，CW、CCW驱动禁止须无效；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。

8．故障检修

当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；三是运动不正常，但无任何报警。在电路中人为设置故障，让学生观察故障现象，分析故障原因并正确排除故障。伺服驱动系统常见故障及维修如表2-1-6所示。

表2-1-6 伺服驱动系统常见故障及维修

（续表）

四、评分标准

（续表）