2. Sigma伺服系统硬件架构
Yaskawa Sigma系列（以Σ-7、Σ-5为代表）伺服系统并非单一设备，而是一条从电网到机械负载的完整能量与信号链。理解这条链路上每个部件的职责、接口和选型约束，是后续参数整定与联调的基础。本节按“能量流”和“信号流”两条主线，拆解伺服驱动器、伺服电机、编码器、再生电阻、制动单元等核心部件。
一、能量主回路：从三相电源到电机轴
伺服驱动器的功率主回路承担电能变换。以三相AC200V输入为例，典型路径为：输入端子→整流桥→母线电容（DC Bus）→IPM智能功率模块（逆变桥）→U/V/W输出→伺服电机定子绕组。整流桥将交流变为约283V（200V×√2）的直流母线电压；逆变桥以PWM方式将直流重新调制成频率与电压可调的三相交流，其调制频率由电流环指令决定，载波频率通常为8～16kHz。
母线电容是能量缓冲器。电机加速时它放电补充瞬时功率，减速时它吸收电机回馈的能量。若回馈能量超过电容吸收能力，母线电压会从283V迅速抬升，超过约400V即触发过压保护（A.400）。这正是再生电阻存在的根本原因。
二、伺服电机：选型从转矩与惯量开始
Sigma电机的选型不是先看功率，而是先算转矩。以SGM7J系列为例，选型需依次确认：
- 连续负载转矩：由摩擦、重力、切削力折算到电机轴，应小于电机额定转矩的80%，留出温升余量。
- 加速转矩：Tacc = Jtotal × (2πΔn/60) / tacc，其中Jtotal为折算到电机轴的总惯量，Δn为转速变化量（r/min），tacc为加速时间（s）。峰值转矩不得超过电机瞬时最大转矩。
- 惯量匹配：负载惯量与电机转子惯量之比（惯量比）建议控制在10倍以内，高动态场合应小于5倍。惯量比过大，增益难以提高，易产生振荡。
- 转速校核：最高运行转速应低于电机额定转速，并确认编码器分辨率满足定位精度。
以一台SGM7J-04A（额定400W，额定转矩1.27N·m，转子惯量0.000067kg·m²）为例，若负载折算惯量为0.0003kg·m²，惯量比约4.5，属于良好匹配；若负载惯量达到0.001kg·m²，惯量比约15，则需考虑减速机或更换更大惯量电机。
三、编码器：位置与速度的感知源
Sigma-7标准配置24位绝对值编码器（分辨率16,777,216脉冲/转），通过串行通信将位置数据传给驱动器。与增量式编码器不同，绝对值编码器上电即知绝对位置，无需回零动作。编码器信号参与三个闭环：位置环（最外环）、速度环、电流环。编码器分辨率直接决定最小定位单位：对于导程10mm的丝杠，理论最小分辨率为10mm/16,777,216≈0.0006μm，实际精度还受机械误差限制。
编码器电缆必须使用屏蔽双绞线，屏蔽层在驱动器侧单端接地，避免与动力线并行敷设，否则PWM噪声会耦合进编码器信号，引发A.810（编码器通信错误）或位置波动。
四、再生电阻与制动单元：处理回馈能量
当电机减速或垂直轴下放时，电机变为发电机，能量回灌母线。再生电阻的作用是将这部分能量以热量形式消耗。选型依据是回馈功率与占空比：
- 再生电阻阻值：决定制动电流大小，阻值越小制动越快，但电流越大。需在驱动器允许的最小阻值以上。
- 再生电阻功率：按实际回馈能量与工作周期计算，而非简单取峰值。频繁启停场合需选大功率或外置电阻。
- 内置/外置：小容量驱动器内置再生电阻，大容量或高频率场合必须外置。
制动单元（Brake Unit）用于更大功率场合，当内置再生电阻不足时，外接制动单元与制动电阻，由驱动器输出制动信号控制其导通。垂直轴还必须配电磁制动器（抱闸），抱闸在断电时机械锁死，防止负载坠落，但抱闸只用于保持，不用于动态制动。
五、硬件架构关系图
下图将上述部件按能量流与信号流组织在一起，便于对照理解各接口与保护关系。
六、选型检查要点
实际选型时，建议按以下顺序逐项确认，避免遗漏：
| 部件 | 关键参数 | 判断依据 |
|---|---|---|
| 伺服电机 | 额定/峰值转矩、转子惯量、额定转速 | 连续转矩≤80%额定；惯量比≤10；最高转速＜额定 |
| 驱动器 | 额定电流、最大电流、母线电压 | 驱动器额定电流≥电机额定电流；最大电流≥电机峰值电流 |
| 编码器 | 分辨率、接口类型、电缆长度 | 分辨率满足定位精度；电缆≤50m（串行） |
| 再生电阻 | 阻值、功率、工作周期 | 阻值≥驱动器允许最小值；功率按回馈能量与占空比计算 |
| 制动单元 | 制动电流、导通阈值 | 内置电阻不足时外置；阈值与母线过压点匹配 |
| 电磁制动器 | 保持转矩、响应时间 | 保持转矩≥负载重力矩；仅用于静态保持 |
掌握上述硬件架构与选型逻辑后，后续的接线检查、参数初始化与增益整定才有明确的物理依据。每一个报警代码背后，几乎都能在这条能量链或信号链上找到对应的硬件节点。