爆款拆解：多傳伺服電機驅(qū)動內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘

談到自動化，我們很自然地聯(lián)想到電機，而在各種電機中，伺服電機是控制設(shè)備中最常見的一種。它主要負責(zé)控制設(shè)備的位移和動作，具有機電時間常數(shù)小、線性度高等優(yōu)越特性。在控制系統(tǒng)中，伺服電機作為執(zhí)行元件，通常需要搭配伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)進行精準的驅(qū)動和控制。

伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)扮演著關(guān)鍵的角色，其任務(wù)是接收來自控制系統(tǒng)的指令，將電流傳送到伺服電機，為其提供動力。同時，該系統(tǒng)監(jiān)測伺服電機的反饋信號，以確保動作的準確性。

因此，我們可以將伺服驅(qū)動系統(tǒng)視為自動控制系統(tǒng)中類似于人體神經(jīng)系統(tǒng)的組成部分，這進一步突顯了伺服驅(qū)動系統(tǒng)在自動化系統(tǒng)中的關(guān)鍵性和不可或缺性。

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

本期的拆解對象是工業(yè)領(lǐng)域某龍頭企業(yè)的多傳伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。

介紹

該伺服驅(qū)動器采用了該公司海外某研發(fā)中心的底層算法平臺，對于手機制造、機器人、機床、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)矩補償?shù)裙δ?，高可靠性、高功率密度設(shè)計，并在安裝、配電配線、維護性等方面進一步優(yōu)化了用戶的使用體驗。

外包裝

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

產(chǎn)品外觀

該伺服驅(qū)動器主機設(shè)計得非常緊湊，一個手掌即可抓取，可以明顯感覺到重量上的分量感。

整體機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個螺絲孔進行安裝、固定。

機身的側(cè)面貼有產(chǎn)品銘牌及危險提示，頂部裝有2個散熱風(fēng)扇。

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

向下有一個母線電壓指示燈，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，在多機并聯(lián)時進行母線連接。

CN3是1個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、輸出信號使用端口。

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

同時面板左下方和機體下方還留有接地端子。

拆卸

整個主機采用的拼接的方式組裝。拆卸下主機頂部2顆螺絲可以拆卸散熱風(fēng)扇。拆除機身其余螺絲后可以將接插部件分開，此時有4個部件，轉(zhuǎn)接板部分、供電、通訊部分、2個電機驅(qū)動部分。

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塊電路板分離成獨立部分。

驅(qū)動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個轉(zhuǎn)接板4個分板，各部分對應(yīng)不同功能，大致可以分為4個部分：電源電路、主控通訊電路、驅(qū)動控制電路和驅(qū)動電路。

首先我們來看看電源部分電路，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，一個繼電器控制通斷，再經(jīng)由整流橋和大電容給后續(xù)電機驅(qū)動供電。控制線和電源線通過接插口連接轉(zhuǎn)接板。

驅(qū)動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。右上方是伺服電機驅(qū)動控制MCU，它與主控通訊芯片通訊，控制2個散熱電機、采集處理4路電機編碼器信息、控制4路伺服電機。伺服電機信號采集和控制信號通過電路板右下方的接口接入伺服電機驅(qū)動板。

該伺服驅(qū)動器采用有2個相同的伺服電機驅(qū)動板，電機編碼器信號通過接口反饋給控制芯片。伺服電機控制信號通過光耦連接到后端伺服電機驅(qū)動芯片控制端。驅(qū)動電源通過供電端子經(jīng)由繼電器控制通斷給伺服電機驅(qū)動芯片供電。驅(qū)動信號通過右側(cè)端子外接電機。同時電路板上還帶有電機驅(qū)動電流檢測等電路。

最后我們來看看本伺服電機驅(qū)動系統(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R7S9100，這是1顆基于Arm? Cortex?-R4 處理器，擁有FPU 核心，專為實時處理設(shè)計，能以高達 600 MHz 的速度進行高速運算。此外，無需通過緩存內(nèi)存進行訪問，內(nèi)置緊密耦合內(nèi)存可進行明確的實時響應(yīng)處理，實現(xiàn)從 CPU 高速訪問而無需經(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，可通過硬件實時操作系統(tǒng)（HW-RTOS）執(zhí)行工業(yè)以太網(wǎng)處理，而不損失實時性能。配置了可編程絕對編碼器接口的 RZ/T1 設(shè)備非常適用于精密運動控制應(yīng)用?？膳渲玫木幋a器接口支持 EnDat2.2、BiSS?-C、A-format?、Tamagawa 和 HIPERFACE? DSL 等一系列行業(yè)標準。

特性如下：

• 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），擴展SRAM 1MB（帶ECC，選項）
• 編碼器接口：2、BiSS?-C、A-format?、Tamagawa、HIPERFACE? DSL
• 定時器：32位定時器3通道，16位定時器30通道，看門狗定時器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，關(guān)注到了瑞薩推出的第二代用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及實時控制的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)動器和工業(yè)機器人等領(lǐng)域，可實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)和工業(yè)電機等工業(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，可進行實時控制，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)，以實現(xiàn)高性能實時處理。 此外，它還可以將電機控制的外設(shè)布置到能直接連接至 CPU 的 LLPP（低延遲外設(shè)端口）上，來實現(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? 等各種絕對編碼器協(xié)議提供支持。此外，RZ/T2M 還擁有一個 3 端口的千兆以太網(wǎng)交換機，可為 TSN 標準及 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、高精度的實時電機控制能力以及對最新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的支持，同時實現(xiàn)功能安全操作。通過為電機控制提供所有必要的外設(shè)功能，能夠為用戶顯著減少外部元件數(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，支持時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以太網(wǎng)標準，確保實時通信。

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定時器、UART和CAN等，可在單個芯片上實現(xiàn)遠程 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)標準規(guī)范和協(xié)議，便于開發(fā)需要實時功能的工業(yè)自動化設(shè)備。用戶也可將RZ/N2L用作主機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，而無需對其內(nèi)部配置進行重大更改。這使用戶能夠利用快速、精確的工廠自動化同步控制功能來開發(fā)工業(yè)設(shè)備。

更多關(guān)于RZ/T2和RZ/N2詳細信息，可以在瑞薩電子官網(wǎng)查閱。

結(jié)束語

相信通過本次對多傳伺服驅(qū)動系統(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)動器設(shè)計得非常緊湊、合理，器件選擇和用料方面也都十分得扎實，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。

以上就是本次拆評的全部內(nèi)容，謝謝大家。