縫紉機(jī)用伺服系統(tǒng)的檢修

　　隨著伺服變頻技術(shù)的成熟，現(xiàn)在的電腦縫紉機(jī)已從電子離合器方式向伺服變頻調(diào)速方式過(guò)渡。伺服變頻控制系統(tǒng)的易控性和節(jié)能效果明顯，也是設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主推的發(fā)展方向。伺服變頻系統(tǒng)屬于技術(shù)含量較高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在使用和檢修時(shí)將有別于傳統(tǒng)方法?，F(xiàn)就筆者個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)，談?wù)剬?duì)伺服變頻控制系統(tǒng)的工作原理及其常見(jiàn)故障的檢修。

變頻調(diào)速的基本原理

　　變頻調(diào)速技術(shù)在上世紀(jì)80年代初問(wèn)世，經(jīng)過(guò)20 多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為一門(mén)比較成熟技術(shù)。其產(chǎn)品也經(jīng)幾次大的更新?lián)Q代，從最初的模擬型發(fā)展到現(xiàn)在的智能集中型，控制方式也越來(lái)越智能化。但在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，其主電路及變頻變壓控制電路還是有一定的相似之處，基于這點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)要分析。

　　一、主電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，可大致分成兩部分：交直和直交   

　　交直部分，電源經(jīng)（VD1~VD6）組成的三相不可控整流橋的交流全波整流成直流。因整流后輸出的電壓是脈動(dòng)的直流電壓，必須加以濾波，大容量的濾波電容器（C1~C2）的作用除了濾除整流后的電壓紋波外，還起到儲(chǔ)能的作用，以消除整流電路與逆變電路之間的相互干擾。由于大容量電容器在接入電源電壓前兩端的電壓為零，故在合上電源的瞬間電容器的充電電流是很大的，過(guò)大的沖擊電流可導(dǎo)致整流橋的損壞。為了保護(hù)整流橋須在電容濾波回路中串入限流電阻（R）和開(kāi)關(guān)（S.W），限流電阻能將電容器的充電電流限制在允許的范圍以內(nèi)，而開(kāi)關(guān)的作用是當(dāng)電容器充電到一定程度時(shí)，開(kāi)關(guān)接通把限流電阻短路掉。電源指示燈（LED）的作用除了顯示電源是否接通外，還起到安全指示作用，即用于顯示電容器是否放電完畢。

　　直交部分，由逆變管（V1~V6）組成的逆變橋，把整流后的直流電再轉(zhuǎn)變成頻率、電壓都可調(diào)的交流電。這是實(shí)現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，也是一個(gè)變頻器的核心部分?，F(xiàn)常用的逆變管有IGBT、GTR、GTO及MOSFET等，一般逆變橋都做成模塊形式。就是將性能相同的逆變管及各保護(hù)續(xù)流二極管等同封裝于一器件中，模塊化結(jié)構(gòu)使電路簡(jiǎn)化緊湊及更加可靠，特別是較新型的智能型模塊IPM，它將驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路都集成在模塊中，這樣可更有效的保護(hù)逆變管及簡(jiǎn)化電路。

　　續(xù)流二極管（D1~D6）的作用除了給電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電流及再生電流返回直流電源提供“通道”外，還給同一橋臂的兩個(gè)逆變管在交替導(dǎo)通和截止換相過(guò)程中提供“通道”。由電容器（C3~C8）、電阻器（R4~R9）及二極管（D7~D12）組成的緩沖電路起保護(hù)作用，當(dāng)逆變管從導(dǎo)通狀態(tài)切換成截止?fàn)顟B(tài)的關(guān)斷瞬間，其集電極/發(fā)射極電壓Vce將極為迅速地由近于0V上升至直流電壓值Ud，這過(guò)高的電壓增長(zhǎng)率將導(dǎo)致逆變管的損壞，緩沖電路的作用即是降低逆變管在每次關(guān)斷時(shí)的電壓增長(zhǎng)率。圖1所示的緩沖電路的結(jié)構(gòu)是為了使其有緩沖效果而又不致于電容器放電反而損壞逆變管而設(shè)計(jì)的，不同的變頻器其緩沖電路的結(jié)構(gòu)也不盡相同。制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元，制動(dòng)電阻用于消耗掉部分由電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的再生能量，不讓其全額地反饋到直流電路中，以保持直流電壓在允許的范圍內(nèi)。制動(dòng)單元用于控制制動(dòng)電阻的放電電流Ib。

　　二、變頻變壓控制電路

　　在變頻系統(tǒng)中，其控制電路涉及到很多專業(yè)性技術(shù)，由于能力有限不能詳細(xì)地分析其技術(shù)結(jié)構(gòu)，在此只是簡(jiǎn)要說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)變頻的基本原理并著重分析其常見(jiàn)故障。

現(xiàn)在的變頻器普遍使用的是脈寬調(diào)制法（SPWM），其原理是控制電路控制逆變器的各個(gè)逆變管的通斷，使逆變器的輸出波形為一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些輸出波形與正弦波等效。

　　如圖2，把一個(gè)正弦半周波分作N等份，再把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值不變，如圖2所示各脈沖的中心同正弦波每一等份中心相重合。這樣，由幾個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周波等效，即稱為SPWM波形，簡(jiǎn)述它的等效原則即“每一區(qū)的面積相等”。以上只是一個(gè)橋臂的正半周分析，逆變器的輸出為三相，其負(fù)半周及其它兩相同理。由此可得出，只要控制電路控制各相逆變管的通斷頻率即能得到頻率可調(diào)的三相電壓。SPWM的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其實(shí)現(xiàn)方法分為模擬法與軟件控制法。模擬法因電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要使用一系列的信號(hào)發(fā)生器和比較信號(hào)源等，現(xiàn)已較少使用。由于微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，現(xiàn)在普遍使用的是軟件控制法，即利用微型機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM控制，計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能可大大簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，使其工作更為可靠。在變頻系統(tǒng)中，其控制主板的故障率一般較低，主板結(jié)構(gòu)緊湊，多為多層板和貼片元件，加上其是利用軟件運(yùn)算控制，就一般維修而言有較大難度，只要基本了解其工作原理即可，不必去深究其運(yùn)算控制法。注意，處于控制電路和主電路的接口隔離驅(qū)動(dòng)電路較易損壞。隔離驅(qū)動(dòng)電路的功能是把控制板送來(lái)的控制信號(hào)放大成可驅(qū)動(dòng)逆變管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)光耦（一般的變頻器使用高速光耦作隔離電路）隔離驅(qū)動(dòng)逆變管工作。由于跨接于主電路的高壓回路中，如逆變電路發(fā)生故障而串入高壓，將傳致光耦燒損開(kāi)路，從而保護(hù)控制電路。

　　三、伺服控制方式

　　現(xiàn)在的縫紉機(jī)用伺服變速系統(tǒng)使用的是閉環(huán)伺服控制方式，使用伺服電動(dòng)機(jī)作執(zhí)行動(dòng)力源，即轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)受輸入電信控制作快速反應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，伺服閉環(huán)組合控制的特點(diǎn)在于反應(yīng)快、定位準(zhǔn)確、可控性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)方法即是控制電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)中存在反饋回路，控制電路將根據(jù)輸入反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的操作。只有滿足預(yù)先設(shè)定的條件后，控制電路才發(fā)送相應(yīng)的操作指令，因而在檢修時(shí)要建立一個(gè)概念，即“條件與執(zhí)行”。由于這個(gè)特點(diǎn)，可利用它的可控性實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，比如可先設(shè)定幾個(gè)條件，只要控制系統(tǒng)收到觸發(fā)指令即可自動(dòng)地完成各種操作，如中間環(huán)節(jié)有不能滿足預(yù)先設(shè)定條件的話，系統(tǒng)將自動(dòng)停機(jī)并提示相關(guān)信息用于檢修。

常見(jiàn)故障檢修

　　一、           電源部分

　　由于長(zhǎng)期工作于高電流、高電壓的環(huán)境中，電源部分的故障率是較高的，常見(jiàn)的有：

　?。ㄒ唬┥衔闹麟娐分械南蘖麟娮栝_(kāi)路，造成整機(jī)無(wú)反應(yīng)，此電阻多為大功率小阻值，只須按相同規(guī)格更換即可；

　　（二）由于長(zhǎng)期工作，大功率連接點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生虛焊，造成工作不穩(wěn)定，解決該故障的方法是找到虛焊點(diǎn)補(bǔ)焊。但該故障具隱蔽性，要細(xì)致地查到真正的虛焊點(diǎn)，不然頻繁的不穩(wěn)定工作極易損壞其它電路；

　?。ㄈ╇娙萜餍阅茏儔模斐晒ぷ鞑环€(wěn)定，由于濾波電容器多為鋁電解電容器，長(zhǎng)期的工作會(huì)使其電解液干枯或泄漏，造成性能值漂移，從而造成整個(gè)電路工作不穩(wěn)定。電容器工作于開(kāi)關(guān)電源中，變換時(shí)要使用性能優(yōu)良的電解電容器，并核對(duì)耐壓值及容量。

　　二、           逆變器部分

　　常見(jiàn)的是逆變功率模塊燒毀，造成開(kāi)機(jī)有顯示，進(jìn)行操作時(shí)沒(méi)反應(yīng)并報(bào)錯(cuò)。一般情況下，功率模塊燒毀后會(huì)導(dǎo)致隔離驅(qū)動(dòng)電路損壞。所以當(dāng)檢查到功率模塊已燒毀時(shí)，一定要詳細(xì)地檢查驅(qū)動(dòng)電路，特別是隔離光耦。確認(rèn)驅(qū)動(dòng)電路完好后，才可替換功率模塊，不然，換上模塊后，試機(jī)的瞬間又將被燒毀。功率模塊種類(lèi)繁多，更換時(shí)要使用型號(hào)相同、各規(guī)定值相同的模塊。

　　三、           輸入部分

　　閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，為了反饋信號(hào)給控制系統(tǒng)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中不可避免地使用到傳感器，而傳感器又是機(jī)電一體化系統(tǒng)中較易發(fā)生故障的部位。因而，系統(tǒng)一般都設(shè)有傳感器失效的出錯(cuò)提示和傳感器測(cè)試程序，便于日常的檢修?？p紉機(jī)用的伺服系統(tǒng)中，裝置有傳感器的部位大致有：①上針位；②下針位；③測(cè)速；④安全開(kāi)關(guān)；⑤腳踏啟動(dòng)；⑥X、Y原點(diǎn)及壓腳等。不同用途的機(jī)種，其傳感器也不盡相同。一般有動(dòng)作又需要定位的部位都裝有傳感器。常用的傳感器為霍爾式和機(jī)電式。當(dāng)傳感器發(fā)生故障特征：開(kāi)機(jī)初始化或啟動(dòng)時(shí)，即機(jī)器在尋找各點(diǎn)的正確位置時(shí)無(wú)法得到確認(rèn)而處于失靈狀態(tài)，約幾秒鐘后停止檢測(cè)并顯示故障代碼。檢修時(shí)依故障代碼進(jìn)行，直接可找到失效的傳感器，再調(diào)用輸入測(cè)試程序給予確認(rèn)，再更換損壞的傳感器。

檢修注意事項(xiàng)

　　一、檢修者必須有一定的電路維修基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

　　二、注意安全，變頻系統(tǒng)的濾波電容放電較慢，一定要等指示燈滅后才進(jìn)行。

　　三、伺服電機(jī)發(fā)生故障的幾率很低，除非其三相位移傳感器電路損壞。因該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，所以一般不要拆卸電機(jī)主體。