伺服电机故障诊断

伺服电机故障集电气与机器于一体，在征兆的表现上呈多样性，既有机器人故障的一般特性，也有电气、磁场等故障特性。长期以来，人们通过大量的故障结果分析发现，伺服电机故障按其原因分，轴承故障占38.5%,绕组故障占39%，两者之和达77.5%。因此，要正确判断一台伺服电机出现故障的原因，就要准确检测出伺服电机轴承、绕组的状态，以便及时、准确地排除。现就如何准确检测伺服电机轴承和绕组故障加以探讨。

　　一、轴承检测

　　伺服电机轴承故障常见的有疲劳、磨损、断裂与点蚀，采用峰值能量法与冲击脉冲法，能有效检测出伺服电机轴承的状态。

　　1.峰值能量法

　　在转动系统中，轴承一旦出现故障，如内、外圈裂纹、滚动体点蚀、缺油等，往往产生频率很高的振动，这种频率一般是转速频率的10-50倍，甚至更高，而其他因素，如不对中、不平衡、机座松动等，所造成的振动频率较低，往往在基频的5倍以内，甚至更低。因此，传感器拾取的振动信号中，只要滤去各种低频信号，仅拾取高频分量，即可得到轴承的特征故障信号。峰值能量法就是利用这种机理，将振动信号加以滤波放大处理，仅拾取高频分量，根据其能量的大小判断轴承的损坏程度。此方法是利用轴承故障检测仪进行轴承状态指示，实测中，只要将仪器的探头顶在轴承外壳或与轴承最接近刚性连接体上即可读出状态值。通过大量的实践，轴承故障判定的建议标准为：新轴承0.2-0.6g′s，使用中的轴承0.5-1.Og′s，有缺陷的轴承1.0-2.5 g′s，损坏的轴承3.0-5.0 g′s。

　　由于伺服电机尺寸、型号不同，以上判据可能有所变化，建议在开始阶段针对不同伺服电机轴承建立合理的“完好、缺陷、损坏”标准，作为长期检测的故障判定经验值，并存入设备档案。此处给出的判定标准仅供参考。

　　2.冲击脉冲法

　　（1）检测原理

　　滚动轴承中有缺陷时，如疲劳剥落、裂纹、磨损和混有杂物时，就会发生冲击，引起脉冲性振动，由于阻尼的作用，这是一种衰减性振动，冲击脉冲的强弱反映了故障的程度，并且和轴承的线速度有关，冲击脉冲法（SPM）就是基于这个原理。轴承的冲击脉冲水平以冲击分贝值dBsv来度量。轴承故障分析仪（T30S）可以由直径和转速计算出轴承初始冲击值dBo，为了评价轴承的质量，一般用标准冲击值dBn度量轴承状态（将测得的冲击分贝值dBsv扣除初始冲击值dBo，dBo一般取lOdBsv ）。如图1所示，轴承故障分析仪可以从采集到的某段时期的冲击脉冲中采样，并在屏幕上显示。少量强冲击脉冲相关的最大值dBm，与大量弱冲击脉冲相关的最小值dBc，它们的差值δ可用于分析轴承是否品质降低或损坏一个好的轴承，其冲击脉冲最大值dBm应小于20dBn，并且δ值应很小。在轴承的寿命期限内，它的冲击脉冲水平发展趋势是缓慢升高的，当轴承表面有小面积损坏时，δ值会相应增加。当轴承缺油时，仪器显示的轴承状态也会进入20～35dBn区，但δ值通常都较小，当dBm一旦进一步增加，表明轴承损坏程度不断扩大，需更换新轴承。

　　图1 轴承故障分析仪冲击脉冲采样值

　　（2）测点选择

　　为了获取正确的传送信号，测点的选取须遵从如下原则：

　　①轴承和测量点之间的信号传输尽可能选择最短路径；

　　②信号的传播路径只应包括唯一一个接触面，即轴承和轴承座之间的接触面；

　　③测量点应位于轴承的承载区域。

　　用探头寻找轴承座最强信号点，如果同时有几个点信号相同，选择最容易取得读数的点；如果在同一个轴承座上有几个轴承时，这些轴承通常作为单一的轴承来处理；对于两个分离的点，它们之间存在一个危险的振动耦合信号，这个信号意味着来自这两点的轴承的冲击脉冲的最坏状态，这时用探针检测信号的强度，如果两点读数相同，应该选择这两点的中点作为测点。在大型伺服电机上，轴承通常安装在伺服电机壳的衬套内，由于机壳和衬套接触面上存在着阻尼作用，所以测点应选在衬套上。另外，用探头传感器测量时，对测量点应作醒目的标记，为了便于做比较，每次测量必须在同一位置进行。

　　二、绕组检测

　　对于伺服电机匝间断路，一直没有有效的测试手段，仅仅是用摇表测绝缘、用电桥测直流电阻等，而绕组线圈的状态无法得知，伺服电机的初期发热不能及时解决，最终导致伺服电机烧损。这里介绍AT3伺服电机故障仪测试法。

　　1.定子三相平衡测试法—电流对比法

　　AT3对于三相平衡的测试是利用内部电池供电的恒压源分别测试三个绕组，设定某一相结果（电流值）为标准值，比较其他两相电流的变化量，由于电压相同，绕组阻值Z的不同将导致电流I的不同。因此，电流变化量△I即为阻值变化量△Z。由于AT3采用高频，相当于L被放大几十倍，AL也被放大几十倍，从而大大的提高了仪器的测试精度。无论Y/ △，当三相电流差超过5％时伺服电机的性能已大大受损，并发热，当超过20％时必须立即维修或更换。

　　2.定子倍频测试—匝间短路

　　利用频率加倍比较匝间短路发生前后的电流与频率的关系I=U/ Z，现定义倍频测试值为I/f，即电流在角频率ω加倍后的变化量：I/f= （△I/I）×100％。纯电感电路I/f＝-50%，即电流减少一半。纯电阻电路I/f＝-0％即电流不变。当绕组匝间短路从纯电感电路向纯电阻电路的转变，也就是I/f值从-50％向-0％的发展趋势。I/f直接说明了电感的失效程度，它能够作为匝间短路程度的判定依据，AT3采用测I/f值判断匝间绝缘情况。

　　3.转子测试—电模拟法

　　这种方法适用于各种交流电动机及直流电动机，对交流电动机无须解体伺服电机，AT3发出交流信号穿过定子绕组的任意一相，在伺服电机内发生一个交变磁场，并在转子上产生感应磁势，此时用手转动转子，对于转子，内部磁场近似于“点对称”，这种运动不会干扰定子绕组上的交变电流。而当转子有匝间短路、相间短路、三相不平衡、断条等故障时，转子转动将引起感生磁场变化，致使仪表显示电流变化百分比△I。

　　4.电角度比较

　　电角度φ＝arctan（（ωL/ R ），这种L与R的比较同样反映了电感的有效程度，匝间短路的过程就是甲从90°减小到0°的过程，因此经常将电角度值作为判断三相平衡及匝间短路的辅助手段。