揭秘多傳伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

談到自動(dòng)化，我們很自然地聯(lián)想到電機(jī)，而在各種電機(jī)中，伺服電機(jī)是控制設(shè)備中最常見的一種。它主要負(fù)責(zé)控制設(shè)備的位移和動(dòng)作，具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高等優(yōu)越特性。在控制系統(tǒng)中，伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，通常需要搭配伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)和控制。

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扮演著關(guān)鍵的角色，其任務(wù)是接收來(lái)自控制系統(tǒng)的指令，將電流傳送到伺服電機(jī)，為其提供動(dòng)力。同時(shí)，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的反饋信號(hào)，以確保動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

因此，我們可以將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)視為自動(dòng)控制系統(tǒng)中類似于人體神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分，這進(jìn)一步突顯了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵性和不可或缺性。

相信通過上面的簡(jiǎn)單介紹大家已經(jīng)能對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有了一個(gè)初步的了解，而今天，由我來(lái)帶大家通過拆解的方式一起看看伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造和電路。

本期的拆解對(duì)象是工業(yè)領(lǐng)域某龍頭企業(yè)的多傳伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

介紹

該伺服驅(qū)動(dòng)器采用了該公司海外某研發(fā)中心的底層算法平臺(tái)，對(duì)于手機(jī)制造、機(jī)器人、機(jī)床、鋰電、硅晶半導(dǎo)體、觸控屏、LED等行業(yè)設(shè)備中遇到的集成度高、總線、體積小、調(diào)試簡(jiǎn)單、耐環(huán)境性等需求，提供了有效的解決方案。

具有一鍵式調(diào)整、自適應(yīng)限波器、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)裙δ?，高可靠性、高功率密度設(shè)計(jì)，并在安裝、配電配線、維護(hù)性等方面進(jìn)一步優(yōu)化了用戶的使用體驗(yàn)。

外包裝

該伺服驅(qū)動(dòng)器使用硬質(zhì)紙盒包裝，拆開包裝，主機(jī)使用泡棉固定，隨機(jī)附帶了1個(gè)S6-C8-接插套件、電源及伺服電機(jī)接線插頭、1本使用手冊(cè)以及1張產(chǎn)品維修卡。

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產(chǎn)品外觀

該伺服驅(qū)動(dòng)器主機(jī)設(shè)計(jì)得非常緊湊，一個(gè)手掌即可抓取，可以明顯感覺到重量上的分量感。

整體機(jī)身使用黑色塑料外殼，安裝面使用的是導(dǎo)電鐵片，可以使用預(yù)留的3個(gè)螺絲孔進(jìn)行安裝、固定。

機(jī)身的側(cè)面貼有產(chǎn)品銘牌及危險(xiǎn)提示，頂部裝有2個(gè)散熱風(fēng)扇。

正面是主機(jī)的接口面板，翻開蓋板可以看到1個(gè)數(shù)碼管顯示器及按鈕旋鈕輸入面板，它用于顯示伺服的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置。

向下有一個(gè)母線電壓指示燈，用于指示母線電容是否處于擁有電荷狀態(tài)。

SN7口是一個(gè)24V抱閘電源輸入口。

CN8上的L1C、L2C外接控制回路AC220V電源輸入，L1、L2、L3接主回路單相三相220V電源輸入，P、C外接泄放電阻，P、N是伺服的直流母線端子，在多機(jī)并聯(lián)時(shí)進(jìn)行母線連接。

CN3是1個(gè)Enternet連接器端口、CN4、CN5是EnterCAT的輸出、輸入端口。

CN1是數(shù)字量輸入、輸出信號(hào)使用端口。

X1、X2用于連接電機(jī)編碼器、X3、X4上BR+、BR-用于連接抱閘電機(jī)的抱閘線圈、U、V、W連接伺服電機(jī)U、V、W相。

同時(shí)面板左下方和機(jī)體下方還留有接地端子。

拆卸

整個(gè)主機(jī)采用的拼接的方式組裝。拆卸下主機(jī)頂部2顆螺絲可以拆卸散熱風(fēng)扇。拆除機(jī)身其余螺絲后可以將接插部件分開，此時(shí)有4個(gè)部件，轉(zhuǎn)接板部分、供電、通訊部分、2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。

拆下轉(zhuǎn)接板部分的螺絲可以將轉(zhuǎn)接板與外殼分離。

拆下供電、通訊部分的外圍螺絲，可以將電路板抽離外殼，供電和通訊部分電路拼接在鋁合金部件上，鋁合金部件也起到散熱器的作用，拆卸下螺絲可以將2塊電路板分離成獨(dú)立部分。

驅(qū)動(dòng)部件拆開卡扣可以將外殼分離，然后拆卸下螺絲就可以將驅(qū)動(dòng)電路板從鋁合金部件上取下。

至此，我們可以得到5塊電路板。

電路講解

電路板采用接插的方式連接在一起，1個(gè)轉(zhuǎn)接板4個(gè)分板，各部分對(duì)應(yīng)不同功能，大致可以分為4個(gè)部分：電源電路、主控通訊電路、驅(qū)動(dòng)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路。

首先我們來(lái)看看電源部分電路，最上面1路24V抱閘電源輸入經(jīng)由電容給到后續(xù)抱閘電路供電。向下1路220V交流電并接壓敏電阻及Y電容，再經(jīng)由整流橋和大電容給后續(xù)控制部分電路供電。再向下是三相電輸入，經(jīng)由壓敏電阻、Y電容，一個(gè)繼電器控制通斷，再經(jīng)由整流橋和大電容給后續(xù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電?？刂凭€和電源線通過接插口連接轉(zhuǎn)接板。

驅(qū)動(dòng)控制部分電路位于轉(zhuǎn)接板上，電路板左上方是AC/DC電源轉(zhuǎn)換電路，用于將高壓電轉(zhuǎn)換成低壓直流電給控制部分電路供電。右上方是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制MCU，它與主控通訊芯片通訊，控制2個(gè)散熱電機(jī)、采集處理4路電機(jī)編碼器信息、控制4路伺服電機(jī)。伺服電機(jī)信號(hào)采集和控制信號(hào)通過電路板右下方的接口接入伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。

該伺服驅(qū)動(dòng)器采用有2個(gè)相同的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，電機(jī)編碼器信號(hào)通過接口反饋給控制芯片。伺服電機(jī)控制信號(hào)通過光耦連接到后端伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制端。驅(qū)動(dòng)電源通過供電端子經(jīng)由繼電器控制通斷給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電。驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過右側(cè)端子外接電機(jī)。同時(shí)電路板上還帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)等電路。

最后我們來(lái)看看本伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)板的核心主控通訊電路，左側(cè)的連接端子連接轉(zhuǎn)接板，用于供電、信號(hào)輸入、輸出及與控制主板通訊。電路板上附帶了1塊LED顯示、按鈕、旋鈕輸入板用作顯示伺服的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)設(shè)置。右側(cè)主控MCU通過3顆以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片和變壓器連接Enternet、EnterCAT輸入、輸出端子。數(shù)字量輸入和輸出信號(hào)經(jīng)過光耦和電平轉(zhuǎn)換芯片連接到主控。

主控使用的是瑞薩電子的RZ/T1群組的處理器R7S910055，這是1顆基于Arm Cortex-R4處理器，擁有FPU核心，專為實(shí)時(shí)處理設(shè)計(jì)，能以高達(dá)600 MHz的速度進(jìn)行高速運(yùn)算。此外，無(wú)需通過緩存內(nèi)存進(jìn)行訪問，內(nèi)置緊密耦合內(nèi)存可進(jìn)行明確的實(shí)時(shí)響應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)從CPU高速訪問而無(wú)需經(jīng)過緩存內(nèi)存。搭載內(nèi)置R-IN引擎的RZ/T1設(shè)備，作為工業(yè)以太網(wǎng)通信的加速器，可通過硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（HW-RTOS）執(zhí)行工業(yè)以太網(wǎng)處理，而不損失實(shí)時(shí)性能。配置了可編程絕對(duì)編碼器接口的RZ/T1設(shè)備非常適用于精密運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用。可配置的編碼器接口支持EnDat2.2、BiSS-C、A-format、Tamagawa和HIPERFACE DSL等一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

特性

● 處理器：Arm Cortex-R4處理器與FPU，最大600MHz

●?工業(yè)以太網(wǎng)：EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等

●?內(nèi)存：緊密耦合內(nèi)存544KB（帶ECC），擴(kuò)展SRAM 1MB（帶ECC，選項(xiàng)）

●?編碼器接口：2、BiSS-C、A-format、Tamagawa、HIPERFACE DSL

●?定時(shí)器：32位定時(shí)器3通道，16位定時(shí)器30通道，看門狗定時(shí)器2通道

● PWM：3相PWM 輸出功能：3通道

●?模擬功能：12位A/D轉(zhuǎn)換器 Unit0：8通道，Unit1：16通道

●?封裝：320引腳FBGA，176引腳HLQFP

●?電壓：核心2V，I/O 3.3V

在查找RZ/T1的相關(guān)資料時(shí)，關(guān)注到了瑞薩推出的第二代用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及實(shí)時(shí)控制的RZ/T2和RZ/N2，也是極具特色。這里分別挑選最大規(guī)格的RZ/T2M和RZ/N2L做介紹。

RZ/T2M?高性能、多功能MPU，應(yīng)用于交流伺服驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)和工業(yè)電機(jī)等工業(yè)設(shè)備的高速處理、高精度控制和功能安全。

RZ/T2M具有最大頻率為800 MHz的雙Arm Cortex-R52內(nèi)核，可進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，而且還擁有能夠與CPU直接連接的大容量緊密耦合內(nèi)存（576KB），以實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)時(shí)處理。此外，它還可以將電機(jī)控制的外設(shè)布置到能直接連接至CPU的LLPP（低延遲外設(shè)端口）上，來(lái)實(shí)現(xiàn)較低的延遲訪問。RZ/T2M擁有多協(xié)議編碼器硬件接口，可為A-format、EnDat和BiSS等各種絕對(duì)編碼器協(xié)議提供支持。此外，RZ/T2M還擁有一個(gè)3端口的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，可為TSN標(biāo)準(zhǔn)及EtherCAT、PROFINET RT/IRT和EtherNet/IP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議提供支持。

這樣的特性意味著RZ/T2M在單芯片上結(jié)合了快速、高精度的實(shí)時(shí)電機(jī)控制能力以及對(duì)最新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能安全操作。通過為電機(jī)控制提供所有必要的外設(shè)功能，能夠?yàn)橛脩麸@著減少外部元件數(shù)量，從而縮減BOM成本和產(chǎn)品尺寸。

RZ/N2L?工業(yè)以太網(wǎng)通信用MPU，可輕松將網(wǎng)絡(luò)功能添加到工業(yè)設(shè)備中。

RZ/N2L搭載支持TSN的三端口千兆以太網(wǎng)交換機(jī)和EtherCAT從控制器，可支持EtherCAT、PROFINET RT/IRT、EtherNet/IP、OPC UA等主要的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，支持時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，確保實(shí)時(shí)通信。

RZ/N2L具有最大頻率為400MHz的Arm Cortex-R52內(nèi)核，外設(shè)功能包括帶ECC的大容量RAM與ΔΣ代用于工業(yè)以太網(wǎng)通信的RZ/N2L微處理器MPUI/F、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM定時(shí)器、UART和CAN等，可在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O、傳感器集線器、變頻器和網(wǎng)關(guān)等應(yīng)用。

RZ/N2L符合眾多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和協(xié)議，便于開發(fā)需要實(shí)時(shí)功能的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。用戶也可將RZ/N2L用作主機(jī)CPU的網(wǎng)絡(luò)配套處理器，從而在設(shè)備中添加工業(yè)以太網(wǎng)功能，而無(wú)需對(duì)其內(nèi)部配置進(jìn)行重大更改。這使用戶能夠利用快速、精確的工廠自動(dòng)化同步控制功能來(lái)開發(fā)工業(yè)設(shè)備。

結(jié)束語(yǔ)

相信通過本次對(duì)多傳伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拆解可以讓大家更加清楚的了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路，不論從結(jié)構(gòu)還是電路方面，該伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)得非常緊湊、合理，器件選擇和用料方面也都十分得扎實(shí)，主控的選擇也非常得當(dāng)，充分得發(fā)揮了瑞薩電子的這款處理器優(yōu)越的性能。

審核編輯：黃飛

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