伺服電機反饋編碼器發生故障的原因有哪些？

在伺服電機的應用中，最常見的問題就要算是反饋編碼器的故障或是損壞了。西安德伍拓自動化傳動系統有限公司為大家簡單介紹一下關伺服電機反饋編碼器的三種常見故障的原因：機械損傷、電氣損壞、環境影響。



不僅是在很多設備系統的診斷信息中，經常會有關于伺服電機“反饋錯誤”的提示，而且在那些返廠維修的伺服電機的檢測報告中，也往往會有很大一部分將問題原因指向反饋編碼器，很多時候甚至會出現所謂“應用問題”的表述，意思是說，“非產品質量問題，用戶須為此負責”。

作為伺服電機內部幾乎唯一的電子元器件，反饋編碼器真的可以算的上是易損部件了，其損壞原因大致可以分為機械損傷、電氣損壞和環境影響...等幾個方面。

機械損傷

伺服反饋編碼器故障中最常見的就是各種機械損傷，包括由于機械振動、碰撞、沖擊、磨損等因素造成的編碼器內部元件結構（碼盤、軸和軸承...等）的硬件損壞。

振動

過大的機械振動極有可能造成編碼器碼盤、軸和軸承的損傷。



對于伺服反饋編碼器來說，有些振動是由電機本體的振動引起的，例如：電機所處的機械結構的振動、電機需要隨負載連續運動...等等，這種情況是比較容易預防和避免的，因為這種振動看上去就比較直觀，也容易測量和采取糾正措施，只要能夠將電機本體的振動強度控制在其標稱的振動等級（加速度和頻率）范圍內，就基本上可以避免這種振動對伺服電機和反饋帶來的危害了。



還有一些情況，振動是在電機運行過程中伴隨機械軸旋轉而引起的，例如：伺服電機軸輸出側受到過大的軸向力作用，在運轉時發生前后竄動造成編碼器機械軸的軸向振動；或者，伺服電機在運轉時，其輸出軸長期受到過大的徑向力作用，造成電機軸和軸承的磨損，進而使得電機軸在高速旋轉時因偏心而產生強烈振動...等等。



這些振動基本上與電機本體和設備機械結構的振動沒有太大關系，而是和電機運行時其輸出軸的受力情況以及軸 / 軸承的磨損情況密切相關的，即使從電機本身看不出任何振動，反饋編碼器也很有可能因為這些異常的軸向或徑向振動而受損；同時由于此類振動主要發生在電機內部高速旋轉的機械軸上，具有很強的隱蔽性，其危害往往會被人們忽視。



不過，要預防這種因電機軸振動造成的編碼器故障或損壞也并不難，只是需要在伺服電機的安裝、使用和維護時，確保其在運行過程中軸向力和徑向力在產品標稱的限值范圍以內。



和所有機電類產品一樣，伺服電機和反饋編碼器產品也會有額定的抗沖擊加速度限值標稱。過大的沖擊力將可能導致伺服編碼器碼盤、軸、軸承、集成線路板和芯片的損壞、甚至整個反饋編碼器的損毀和報廢。



因此，在使用伺服電機編碼器過程中，須盡量避免其本體受到任何外力的撞擊，尤其要防止對電機輸出軸的沖撞和敲擊，無論是來自軸向或徑向的，例如：在往電機輸出軸上安裝各種傳動軸套（同步帶輪、聯軸器、減速機軸套...等等）時，或者在將電機安裝到傳動機構的過程中，切勿用力敲擊電機軸和外殼本體。

磨損

另一種機械損傷，就是伺服反饋編碼器軸和軸承的磨損。雖然并不是很常見，但也需要引起一定的重視。



它有可能是因為電機軸長期振動（軸向或徑向）造成的；也有可能是由于電機軸超速運轉而引起的，盡管一般伺服電機很少出現超速運轉的狀況，并且反饋編碼器的最大允許轉速要比伺服電機的峰值轉速高出許多，但是在某些異常情況下，例如：反饋信號受到干擾、伺服電機整定錯誤、垂直負載失控墜落...等等，反饋編碼器因為電機“被”超速運轉而受損的風險還是依然存在的。

電氣損壞

在各種伺服反饋編碼器故障中，電氣損壞也是經常發生的。



一方面，當伺服電機或編碼器反饋線路處在電磁兼容性能較差的機電系統環境中時，在其信號回路上可能會因為受到較強電磁噪聲干擾而瞬間產生極高（幾千甚至上萬伏特）的高頻沖擊電壓，導致編碼器信號電路的損壞。



另一方面，編碼器外部線路的異常，例如：短路、斷路、接錯線、極性接反、電源異常（如波動）...等等，也都有可能造成伺服反饋的電氣故障或損壞。

前面兩種故障應該算是比較純粹的電氣故障，和通用編碼器的電氣故障是一樣的。

還有一種電氣損壞是伺服反饋編碼器所特有的，是由于電機的機械損傷而引起的。如果伺服電機在運轉時，因其輸出軸長期受到過大的軸向或徑向力作用，造成軸和軸承的磨損，就會在電機內部產生大量金屬屑和粉塵，當這些金屬粉塵附著在反饋編碼器的線路板上時，極有可能因短路而造成其內部電路的故障或損壞。

環境影響

這里所說的環境，首先當然還是指伺服電機所處的物理環境，包括：濕度、溫度、滴液、油污、粉塵、腐蝕...等等。



很多故障伺服電機返廠后的維修報告里，都會提到反饋編碼器因受到污染物的侵蝕而損壞，例如：浸液、粉塵...等等。

圖片

這些污染物進入電機內部原因很多，可能是電機自身防護等級不足以抵御惡劣的應用環境，例如：將 IP54 的伺服電機置于需要用水沖洗的食品衛生設備...；也可能是不當的安裝使用方法造成的，例如：將沒有安裝軸封的電機軸向上安裝在有液體飛濺的環境中，或者因電機插頭 / 插座選用不當使得液體沿其電纜接口滲入電機內部...等等。



因此，伺服電機本身的 IP 防護等級，以及產品應用集成和運行維護時所采取的環境防護措施就顯得非常重要了。

不過，僅僅做好對伺服電機的應用防護還是遠遠不夠的，因為對于伺服反饋來說，它還會受到電機內部環境的影響。



從污染物方面看，正像前文所說，伺服反饋編碼器的防護等級大都在 IP20
~ IP40，如果伺服電機在運轉時，其輸出軸長期受到過大的軸向或徑向力作用，會造成電機軸和軸承的磨損，從而在電機內部產生大量粉塵和碎屑，它們不僅可能會因為附著在反饋編碼器的線路板上導致其內部電路的損壞，也有可能因為大量堆積而影響電氣元件的散熱和機械軸承的潤滑。而這其實和伺服電機自身所具備的防護等級并沒有太大關系。



而如果再看溫度方面對伺服反饋編碼器的影響，則主要就是來自于伺服電機內部了，因為其繞組線圈在連續運行時的實際溫度往往遠高于周圍環境溫度，這對于緊貼在電機軸末端安裝著的伺服反饋編碼器來說，是一個極大的挑戰和威脅。通常伺服反饋的工作溫度范圍極限可達 +110°C ~ +120°C，過高的電機運行溫度，將可能導致反饋編碼器內部電路工作不穩定甚至發熱損壞。因此，合理規劃伺服電機的動作周期和運行負荷，防止出現過高的繞組溫度，對于保護其內部集成的反饋編碼器，也是十分重要的。

有沒有發現，電機軸異常受力是會從各個方面威脅到伺服反饋編碼器的正常工作的。

針對上面這些可能造成伺服反饋編碼器損壞的故障原因，為了提升伺服電機用戶的應用體驗，這些年不少編碼器廠家都對旗下伺服反饋產品作出了一些技術上的改進，例如：
為了提升伺服反饋元件抗機械振動和沖擊的能力，使用金屬（如鎳合金）作為制作碼盤的材料，或使用小尺寸（如半徑僅為 2mm）的碼盤；

采用數字通訊接口作為伺服反饋信號輸出，以提升系統抗 EMI 電磁噪聲干擾的能力；

增加短路保護、反極性保護、電源寬電壓...等設計，以減少用戶因為操作（如接線）錯誤而引起元件損壞的機率；

采用金屬外殼、增加油封，以提升伺服反饋的防護等級；

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不過，無論產品有哪些改進和發展，我還是要提醒大家不要忘記，嚴格按照產品的安裝使用要求對伺服電機進行合理的應用操作。

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