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YASKAWA Σ-II Series SGMBH/SGDH 交流伺服系统
时间: 2026-03-28浏览次数：
YASKAWA Σ-II Series SGMBH/SGDH 交流伺服系统
YASKAWA Σ-II系列SGMBH/SGDH伺服驱动系统：技术详解与应用指南
系统概述与核心组件
Σ-II系列伺服驱动系统主要由SGMBH伺服电机和SGDH伺服驱动器（SERVOPACK）两部分构成，形成一个高性能的闭环控制系统。该系统专为400V电压等级、22kW至55kW的大功率应用而设计，满足工业现场对高动态响应和稳定性的严苛要求。
1. SGMBH伺服电机
SGMBH电机是Σ-II系列中的同步型（永磁）伺服电机，具有以下显著特点：
高扭矩输出： 额定转速为1500 min⁻¹，最高转速可达2000 min⁻¹，并提供高达200%的瞬时峰值扭矩，确保设备在启动和加速时具备强大的动力。
多种容量选择： 提供从22kW到55kW共10个规格型号（如22kW、30kW、37kW、45kW、55kW），满足不同负载需求。
高精度反馈： 标配17位增量式编码器，并可选择17位或20位绝对值编码器，实现高精度的位置和速度检测。
坚固耐用： 采用全封闭、自冷却（带风扇）结构，防护等级IP44，适用于粉尘、油雾等较恶劣的工业环境。电机内置热保护器（Thermostat），用于监测电机温度，防止过热损坏。
2. SGDH伺服驱动器
SGDH驱动器是专门为SGMBH电机配套的伺服放大器，其核心功能是将来自上位控制器的指令（模拟量或脉冲）转换为驱动电机的三相交流电，并实现高精度的闭环控制。
多功能控制： 支持速度控制（模拟量参考）、位置控制（脉冲列参考）和扭矩控制（模拟量参考）三种基本模式，并可通过参数灵活切换多种复合控制模式。
集成操作与监控： 内置面板操作器（Panel Operator），也可连接手持式数字操作器（JUSP-OP02A-2），用于参数设置、状态监控、试运行和故障诊断。
丰富的I/O接口： 通过CN1（50针）连接器提供与上位机交互所需的全部输入输出信号，包括伺服ON、报警、脉冲输入、模拟参考、编码器分频输出等。CN2连接器用于连接电机编码器。
系统集成与安装布线
正确的安装与布线是伺服系统稳定运行的基础。Σ-II系列产品在设计上充分考虑了工业现场的安装便利性和抗干扰能力。
1. 伺服电机安装
安装环境： 电机应安装在室内、无腐蚀性/易燃气体、通风良好、环境温度0~40°C、相对湿度20%~80%（无结露）的场所。对于有油雾或水分的环境，需加装防护罩并使用带油封的电机。
机械连接： 电机轴与负载轴需通过柔性联轴器进行高精度对中。安装前需清除轴端的防锈漆，避免直接冲击轴端，以防损坏内部编码器。电机允许的径向和轴向负载需严格遵循手册规定。
电气连接： 电机动力线（U、V、W）连接到驱动器的对应端子。电机内置的风扇（U(A)、V(B)、W(C)）需连接三相380-480VAC电源，并确保风扇转向正确（风向从电机非负载端吹向负载端）。内置热保护器（1, 1b）必须接入控制电路，当电机过热时切断电源。
2. 伺服驱动器安装
安装方式： SGDH驱动器采用底座安装方式，必须垂直安装于控制柜内，以保证散热。
散热要求： 驱动器主要依靠自然对流或强制风冷散热。多台驱动器并排安装时，左右之间需留出至少10mm间隙，上下至少留出50mm间隙，并建议在顶部安装冷却风扇，确保环境温度不超过55°C。
主电路接线： 驱动器主电路输入端子（L1/R, L2/S, L3/T）连接三相380-480VAC电源。控制电路电源（DC24P, DC24N）需接入24VDC。电机输出端子（U, V, W）直接连接到伺服电机。再生电阻端子（B1, B2）可根据需要连接外部再生电阻单元。
接地与抗干扰： 必须将驱动器的接地端子（⨁）和电机的接地端子（FG）可靠接地，接地电阻小于100Ω。信号线与动力线必须分开布线，间隔至少30cm。建议在输入电源侧安装噪声滤波器，并在继电器、接触器线圈上安装浪涌抑制器，以抑制电磁干扰。
核心功能与参数配置
SGDH驱动器的强大之处在于其高度可配置的内部控制算法和丰富的I/O功能，通过设置参数即可适应多样化的应用场景。
1. 控制模式选择
通过参数Pn000.1可以灵活选择控制模式，主要包括：
速度控制（0）： 接收来自上位机的±6V至±10V模拟电压作为速度参考。驱动器内部完成速度闭环。
位置控制（1）： 接收来自上位机的脉冲列（方向+脉冲、CW/CCW或90°相位差二相脉冲）作为位置指令。驱动器内部完成位置闭环和速度闭环。电子齿轮功能（Pn202, Pn203）可将输入脉冲转换为任意机械移动距离。
扭矩控制（2）： 接收来自上位机的±1V至±10V模拟电压作为扭矩参考。此模式下，电机输出扭矩与输入电压成正比。
复合模式（3-9, A, B）： 例如通过外部触点信号在速度/位置/扭矩模式间切换，或使用触点输入选择预设的内部速度进行控制。
2. 输入/输出信号配置
驱动器CN1连接器的输入信号（如伺服ON /S-ON、正向/反向超程禁止 P-OT/N-OT、报警复位 /ALM-RST、扭矩限制 /P-CL//N-CL）和输出信号（如伺服报警 ALM、定位完成 /COIN、速度一致 /V-CMP、旋转检测 /TGON、伺服准备 /S-RDY）均可通过参数（Pn50A-Pn50D， Pn50E-Pn512）进行重新分配和极性设置，极大提高了与不同上位机系统的兼容性。
3. 关键功能设置
电子齿轮： 通过设置Pn202（分子）和Pn203（分母），可以将输入脉冲数灵活转换为电机实际转角，简化了机械传动比的计算。
转矩限制： 通过参数Pn402/Pn403设置内部转矩限制，或通过外部触点（/P-CL//N-CL）和模拟电压输入（T-REF）实现动态转矩限制，有效保护机械负载。
超程保护（OT）： 当P-OT或N-OT信号触发时，可通过参数Pn001.1设置停止方式（如动态制动停止、减速停止后伺服锁定、自由滑行停止），并可通过Pn406设置紧急停止扭矩。
绝对编码器功能： 当使用带绝对值编码器的电机时，需通过参数Pn002.2启用，并连接电池（BAT+, BAT-）。通过辅助功能Fn008可进行绝对编码器复位和设定，Fn013可修改多圈限制值。
调试与试运行
为确保系统安全、可靠地投入运行，必须遵循严格的试运行流程。
1. 试运行前准备
安全检查： 确认所有接线正确无误，特别是电源线、电机线和编码器线。
空载试运行（第一步）： 关键步骤。必须断开电机与机械负载的连接（脱开联轴器），仅让电机空转。此阶段目的是验证电机、驱动器和编码器的基本功能。
使用数字操作器，通过JOG模式（Fn002）驱动电机，检查旋转方向和是否平稳。
检查输入信号状态（通过监控模式Un005），确认伺服ON、超程等信号有效。
检查无负载情况下电机运行是否正常，有无异响或异常振动。
2. 负载试运行与自动调谐（第二步）
连接负载： 在确认空载运行正常后，将电机与机械负载连接。
自动调谐（Fn001）： SGDH驱动器内置了在线自动调谐功能。通过设置Pn110.0为“1”（连续调谐），驱动器会在实际运行中自动识别负载惯量，并相应调整速度环增益（Pn100）、积分时间常数（Pn101）、位置环增益（Pn102）和扭矩参考滤波器时间常数（Pn401），使系统达到最佳响应。用户只需通过Fn001选择机械的刚性等级（1-10级，数值越大刚性越高），自动调谐便会自动优化增益。对于负载变化不大的系统，可设定为只在首次运行时调谐。
保存调谐结果（Fn007）： 将自动调谐计算出的负载惯量比（Pn103）保存至EEPROM，以便下次上电时直接使用，无需重新调谐。
高级调整与优化
对于追求极致性能的应用，可以通过手动调整伺服增益来优化系统响应。
基本增益调整原则： 伺服系统由内到外依次是电流环、速度环、位置环。内环的响应速度必须高于外环。因此，要提升位置环增益（Pn102），必须先提升速度环增益（Pn100）。如果位置环增益设置过高而速度环跟不上，会导致速度参考振荡，延长定位时间。
手动增益调整步骤：
首先，正确设置负载惯量比（Pn103）。这是准确设置速度环增益的前提。
逐步增加速度环增益（Pn100），直至机械系统开始发出轻微振动或噪音，然后稍微降低。设置速度环积分时间常数（Pn101），经验公式为 Pn101 ≈ 4 / (2π × Pn100)。
逐步增加位置环增益（Pn102），观察定位时间，直至定位响应令人满意且无过冲或振荡。
如果存在机械共振，可以调整扭矩参考滤波器时间常数（Pn401）或启用陷波滤波器（Pn408、Pn409）来消除特定频率的振动。
辅助优化功能：
前馈控制： 通过设置位置环前馈（Pn109）或速度前馈（Pn207.1），可以减小跟随误差，缩短定位时间。但前馈值过高可能导致超调。
模式切换（Mode Switch）： 通过Pn10B设置，可以在加速或减速过程中，当扭矩、速度或加速度超过阈值时，将速度环从PI控制切换为P控制，以抑制超调和振荡，缩短整定时间。
速度偏置： 通过Pn107和Pn108设置，在位置控制时，当误差脉冲积累到一定程度时，自动附加一个速度偏置，以快速消除误差，缩短定位时间。
操作与监控
SGDH驱动器提供了多种方式进行操作和监控，方便现场调试和维护。
数字操作器（Digital Operator）：
内置面板操作器： 位于驱动器前面板，通过按键和7段LED数码管，可以进行状态显示、参数设定、监控、报警复位等基本操作。
手持式数字操作器（JUSP-OP02A-2）： 通过CN3接口连接，提供更丰富的功能和更友好的操作界面。除了基本功能外，还可进行JOG运行、零点搜索、报警跟踪、参数初始化等操作。
主要模式： 状态显示模式（Un000等）、参数设定模式（Pn000等）、监控模式（显示速度、转矩、输入/输出信号状态）、辅助功能模式（Fn000等，用于JOG、自动调谐、报警跟踪、绝对编码器设置等）。
监控功能：
实时监控： 监控模式（Un000-Un00D）可以实时显示电机实际转速、输入速度参考、内部扭矩参考、输入/输出信号状态、误差脉冲数等关键参数。
报警跟踪（Alarm Traceback）： 驱动器可以记录最近10次发生的报警（Fn000），方便故障排查。
模拟监控（Analog Monitor）： 通过CN5接口，可以输出两个模拟量信号（如速度、扭矩、位置误差），用于连接示波器等仪器，进行波形分析，便于高级调试。
维护与故障诊断
定期维护和有效的故障诊断是确保系统长期稳定运行的关键。
定期维护检查：
伺服电机： 日常检查振动、噪音、外观。定期（至少每年一次）检查绝缘电阻（应大于10MΩ）。对于带油封的电机，每运行5000小时建议更换油封。
伺服驱动器： 定期（至少每年一次）检查内部有无灰尘、螺丝有无松动。根据运行环境，按预定周期（如冷却风扇4-5年，电解电容7-8年）更换易损件。
故障诊断：
报警代码： 当系统出现故障时，驱动器前面板会显示“A.xx”格式的报警代码。手册详细列出了所有报警代码（如A.10过流、A.30再生错误、A.51超速、A.71/A.72过载、A.81编码器备份错误等）的含义、可能原因和处理对策。
无报警显示故障： 若电机不转、异常振动或速度不稳定但无报警显示，则需要检查电源、接线、输入信号状态、参数设置等。手册提供了详尽的故障排查表，按症状、原因和解决办法进行索引。
技术数据汇总
项目 SGMBH 伺服电机 SGDH 伺服驱动器
额定输出 22 kW - 55 kW 22 kW - 55 kW（与电机匹配）
额定转速 1500 min⁻¹ -
最高转速 2000 min⁻¹ -
额定扭矩 140 - 350 N·m -
电源电压 主电路：三相380-480VAC，±10% 主电路：三相380-480VAC，±10%
控制电源 - 24 VDC ±15%
反馈方式 17位增量/绝对值编码器（可选20位） 支持增量/绝对编码器
控制模式 - 速度/位置/扭矩控制及多种复合模式
环境温度 0 ~ 40°C 0 ~ 55°C
防护等级 IP44（全封闭，自冷却） 底座安装，IP20
