Шесть советов по устранению неполадок с шаговым сервоприводом

Шаговые сервомоторы, как ключевые компоненты в промышленной автоматизации, напрямую влияют на производительность оборудования благодаря своей стабильности и точности. Однако на практике моторы могут проявлять аномалии из-за настройки параметров, механической нагрузки или факторов окружающей среды. В данной статье предлагаются системные решения для шести типичных проблем, объединенные с реальными инженерными примерами, чтобы помочь техникам быстро определить и устранить проблемы.

1. Аномальная вибрация и шум мотора

Вибрация и шум являются наиболее распространенными признаками неисправностей в шаговых сервосистемах. На одной упаковочной линии во время работы мотора наблюдался резкий свист. Тестирование показало, что резонансная частота совпадала с собственной частотой механической конструкции. Решения включают: во-первых, корректировку параметров жесткости (например, PA15, PB06) через сервопривод и активацию функций адаптивного фильтра для подавления вибраций на определенных частотах; во-вторых, проверку точности выравнивания муфты—параллельное отклонение должно быть контролировано в пределах 0,02 мм; если используется ременная передача, необходимо проверить равномерность натяжения. Заметим, что при работе на низких скоростях (например, ниже 300 об/мин) включение режима Hybrid Decay может подавить вибрации средней частоты. Для высокочастотного шума установите ферритовые фильтры на входе питания мотора. Одна компания-производитель медицинского оборудования снизила уровень шума на 12 дБ, используя этот метод.

2. Дрейф позиционирования

На одном станке с ЧПУ было замечено накопление ошибки 0,1 мм/час при непрерывной обработке, что было связано с интерференцией сигнала энкодера. Меры по решению включают: (1) использование дифференциального щупа для проверки целостности сигналов кабелей энкодера (A+/A-, B+/B-); замену на экранированные кабели с скрученными парами, если искажение формы сигнала превышает 15%; (2) проверку того, что электронное передаточное число сервопривода (числитель PA12 / знаменатель PA13) соответствует механическому передаточному числу—на одной автоматической производственной линии была ошибочно установлена знаменательная часть 32767, вызывающая ошибку 0,03° за оборот; (3) для систем с абсолютными энкодерами периодическую калибровку начального положения, предпочтительно с использованием двухчастотного лазерного интерферометра для компенсации. На практике установка усилителей изоляции сигнала повышает устойчивость к шумам—одна компания-производитель полупроводникового оборудования достигла повторяемости ±1 мкм после внедрения.

3. Срабатывание защиты от перегрева мотора

Когда температура поверхности мотора постоянно превышает 80°C, тепловая защита вынуждает его остановиться. Один робот-литьевой машины часто сообщал об ошибках Err21.0, связанных с перегревом. Анализ показал: (1) чрезмерные настройки токовой петли (PA11)—при фактическом значении нагрузочного тока, составляющем всего 60% от номинального, снижение ограничения тока на 20% решило проблему; (2) недостаточное охлаждение мотора—добавление принудительного воздушного охлаждения снизило температуру на 15–20°C; (3) для частых операций запуска и остановки выбирайте моторы с лучшим соответствием момента инерции. В одном случае увеличение разрешения импульсов с 1600 ppr до 6400 ppr снизило потери в железе на 37%. Примечание: при каждом 10°C повышении температуры окружающей среды номинальный момент мотора должен быть снижен на 8%.

4. Неожиданная потеря шагов

На высоких скоростях (например, выше 1500 об/мин) шаговые моторы склонны к потере шагов из-за недостаточного момента. На одном установщике микросхем наблюдалось отставание позиции при ускорении. Решения включают: (1) оптимизацию профиля S-образного ускорения/замедления—установку значения джерка (параметр jerk) на 30–50% от значения ускорения; (2) мониторинг колебаний напряжения питания—минимальное рабочее напряжение для системы 24В не должно опускаться ниже 21,6В; (3) для высокоинертных нагрузок включение компенсации предварительной подачи (параметр PF03) в сервоприводе. Производитель текстильного оборудования снизил частоту потери шагов на высоких скоростях с 0,3% до менее 0,01%, добавив компенсацию инерции маховика. Критическое примечание: когда отношение момента инерции нагрузки к моменту инерции мотора (JL/JM) превышает 30:1, необходимо выбрать другой мотор.

5. Устранение проблем с прерыванием связи

Системы с управлением по шине (например, EtherCAT, CANopen) подвержены временным сбоям связи. На одной производственной линии по изготовлению литий-ионных батарей каждые два часа происходили разрывы сети сервоприводов, которые были связаны с: (1) отсутствием концевых резисторов, вызывающих отражение сигналов—добавление 120Ω резисторов на конечных узлах снизило коэффициент ошибок битов на 90%; (2) неоптимальной топологией сети—заменой цепочки на звездообразную топологию повысили надежность; в одном случае использование оптоволоконных повторителей снизило задержку связи с 200 мкс до 50 мкс; (3) устаревшей прошивкой сервопривода—в последней версии был исправлен известный дефект контрольной суммы CRC. Важно: для сетей PROFINET убедитесь, что имя каждого узла правильно связано с его IP-адресом.

6. Обработка неисправностей тормоза

Для сервомоторов с электромагнитными тормозами, один складской кран-штабелер однажды столкнулся с проскальзыванием после отключения питания. Корректирующие действия включали: (1) проверку времени реакции тормоза—24В тормоза должны активироваться менее чем за 50 мс; (2) регулярное измерение износа тормозных колодок—замену при остаточной толщине менее 1,5 мм; (3) добавление логики предварительного торможения в программу ПЛК для триггеринга сигнала торможения на 50 мс раньше. Система AGV в порту добавила резервное питание от суперконденсатора, чтобы обеспечить надежное включение тормоза при отключении. Для вертикальных осей рекомендуется добавить дополнительные механические стопоры как вторичную защиту.

Рекомендации по продвинутой оптимизации

Помимо вышеуказанных решений, следует установить систему предупредительного обслуживания:

• Ежемесячно записывать несбалансированность трехфазного тока (оповещать, если отклонение >10%); 

• Ежеквартально проводить тестирование изоляционного сопротивления обмоток с помощью мегомметра (≥100 МΩ); 

• Использовать встроенный в сервопривод захват волновых форм для анализа аномалий. На одной линии сварки автомобилей было обнаружено, что когда общая гармоническая искаженность тока (THD) превышала 8%, вероятность отказа мотора увеличивалась в пять раз—превентивная замена фильтрующих конденсаторов улучшила MTBF на 40%.

Через систематический анализ неисправностей и реализацию решений, общая эффективность шаговых сервосистем может улучшиться более чем на 25%. Инженерам рекомендуется поддерживать полные архивы резервных копий параметров, чтобы быстро восстанавливать оптимальные конфигурации при перемещении оборудования или замене компонентов. С развитием технологий прогнозного обслуживания, будущая интеграция датчиков вибрации и анализа волновых форм тока позволит более точно предсказывать неисправности.