伺服系統(tǒng)控制架構解析及應用

隨著計算機控制技術、現(xiàn)代電機調(diào)速技術、通訊技術的飛速發(fā)展，我們迎來了數(shù)字化工廠時代。 在數(shù)字化工廠方案中，作為柔性制造的終端設備，加工中心、數(shù)控機床等已經(jīng)成為數(shù)字工廠必不可少的載體。

數(shù)字控制設備的控制核心是計算機技術的延伸，而作為執(zhí)行機構的伺服系統(tǒng)則是現(xiàn)代電機調(diào)速技術的核心。 電氣伺服系統(tǒng)的原理掌握和維護一直是制約數(shù)控設備維修的技術難題，為更好地維護數(shù)控設備，需要進行深入探討和掌握。

本文從伺服系統(tǒng)的檢測硬件開始入手，結合對從計算機系統(tǒng)到執(zhí)行機構的控制模型的探討，深入解析了伺服系統(tǒng)的原理，及運用控制架構分析故障的方法。

1 幾種最常用的位置檢測器件

數(shù)控機床的測量反饋系統(tǒng)是為測知實際控制輸出的大小變化，與給定比較以對控制誤差進行校正而設計的。 數(shù)控系統(tǒng)的位置測量器件種類很多，這里就光電脈沖編碼器、旋轉變壓器做等常見器件做簡單介紹。

1.1 相對式光電脈沖編碼器

圖1：相對式光電脈沖編碼器原理圖

相對式光電脈沖編碼器是一種光學器件。 它由光源發(fā)光，一片透鏡收集光源光線并投射到與電機同軸安裝的光電盤上。 光電盤上刻有等距離的透光條紋，當它旋轉時，三個光敏元件將各自接收到一個光電脈沖列。 這三個脈沖列經(jīng)后續(xù)電路整理，變成我們需要的A、A*、B、B*、Z、Z*六組信號。

以上信號中A、A*、B、B用于計算位移量，由外圈透光條紋和上面兩個光敏元件產(chǎn)生。 Z、Z用來做位置基準，由里圈的一個粗條紋和下面的光敏元件產(chǎn)生。 其波形圖為圖2所示。

由上圖可以看出，位移脈沖信號電機每轉一轉時有多個。 電機每轉傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)稱為“線數(shù)”。 基準信號電機每轉則只有一個。

普通編碼器的精度大致在50-10000線左右。

帶有*號的信號和原信號相位差180度。 A、B信號間相差90度，由A、B信號哪一個超前可以判斷電機的轉向。

圖2：相對式光電編碼器信號波形圖

從上述介紹我們可以看出，這種器件可以在先算知每個脈沖的等效位移后，通過對脈沖計數(shù)來測量機械部件的實際位移量。初期數(shù)控設備的反饋器件大多數(shù)是這種編碼器。

一個脈沖對應的工作臺位移量又叫脈沖當量，脈沖當量一般是通過如下兩個數(shù)據(jù)給出的：

1）電機每轉脈沖數(shù)；

2）每轉進給量。

這在數(shù)控系統(tǒng)中是兩個重要參數(shù)，維修中曾經(jīng)有僅因這里沒有弄清楚，在更換電機后報位置誤差錯誤，修理三天找不到原因的先例。

1.2 絕對式光電脈沖編碼器

絕對式光電編碼器與相對式不同，它不但可以測得位移量，而且可以計算機械部件的當前絕對位置。其信號測量原理基本與相對式編碼器相同，所不同的是其光電碼盤刻錄的透光縫是編碼了的，光敏元件個數(shù)也與編碼的位數(shù)相同。圖3給出了一個四位編碼盤的示意圖。

圖3：四位編碼盤示意圖

上圖中，透光為1，遮光為0。從0000開始，順時針方向的編碼分別為0001、0010、0011、…、1111，即為BCD編碼。

按照這個編碼盤讀出的四列信號，我們可以準確判斷機床電機軸和絲杠的當前角度位置，所以叫做絕對式編碼器。通過計數(shù)我們也可以得到機床實際的位移量。

考慮容錯設計，實際編碼的順序要求相臨兩個編碼只能有一位跳變，因此不是按從0000到1111，這樣的編碼也叫格雷碼。

1.3 感應同步器

感應同步器也是一種位置測量器件，尤其在裝備有數(shù)顯設備的機床上使用較多。

其基本結構由定尺和滑尺組成。定尺上腐蝕有一組矩形銅繞組，而滑尺上腐蝕有兩組，其中一組叫做正弦繞組，另一組叫做余弦繞組。

它應用了電磁感應的原理。當在滑尺繞組加入勵磁：

正弦繞組：Us=Um cosωt

余弦繞組：Uc=Um sinωt

時，定尺中的輸出電壓為：

Uoc=K Um sin（ωt+θ）

其中，K為電磁耦合系數(shù)，θ=2π×位移量/T，T又稱為節(jié)距。

圖4：感應同步器的原理圖

可見，輸出電壓是位移量的函數(shù)。通過判斷θ角的大小也可以判斷當前機床的絕對位置。所以，這也是一種絕對式位置測量器件。

1.4 旋轉變壓器

旋轉變壓器又稱為同步分解器，它是一種用于將機械轉角轉換為電壓信號輸出的測量元件。

1.4.1 旋轉變壓器的分類、結構與工作原理

1、旋轉變壓器的分類

旋轉變壓器的分類方式有三種，按極對數(shù)的多少，可分為單極對與多極對旋轉變壓器；按有無電刷與集流環(huán)，可分為有刷式與無刷式旋轉變壓器；按輸出電壓與轉角之間的函數(shù)關系，可分為正余弦旋轉變壓器與線性旋轉變壓器。

2、正余弦旋轉變壓器的基本工作原理

旋轉變壓器與普通的繞線式轉子電動機相似，也是由定子與轉子組成。它的定、轉子繞組是二個匝數(shù)相等且在空間上互差90o電氣角度的正、余弦繞組。

旋轉變壓器是一個可以旋轉的變壓器，其工作原理與普通的變壓器相似，其定子繞組相當于普通變壓器的一次繞組（勵磁繞組），而轉子繞組相當于普通變壓器的二次繞組（輸出繞組）。旋轉變壓器與普通變壓器的主要區(qū)別在于：普通變壓器一、二次繞組的相對位置是固定的，變壓比是不變的。而旋轉變壓器一、二次繞組的相對位置是隨轉子的轉動而變化的，在一次繞組中加以電壓激勵時，二次繞組的輸出電壓隨轉子相對于定子的位置不同而不同。

正余弦旋轉變壓器的原理如下圖所示，D是定子上的二個互差90o的電角度的正余弦繞組，Z是轉子上的二個互差90o的電角度的正余弦繞組。

1.4.2 正余弦旋轉變壓器的工作方式

正余弦旋轉變壓器可分為鑒相式與鑒幅式二種工作方式。

圖5：旋轉變壓器原理圖

1、鑒相式工作方式

鑒相式工作方式是在定子的二個繞組上分別施加同幅、同頻，但相位相差90o的二個交流勵磁電壓，即：

D1 D2繞組施加的是：U1s= U1msinωt

D3 D4繞組施加的是：U1c= U1mcosωt

在轉子上的Z1 Z2繞組中得到的輸出為：

U2= kU1mcos(ωt-θ)

所以，比較轉子繞組的輸出電壓U2與定子繞組的勵磁電壓U1c的相位，即可得到相應的機械轉角θ值。

2、鑒幅式工作方式

鑒幅式工作方式是在定子的二個繞組上分別施加同相位、同頻率，但幅度不同的二個交流勵磁電壓，即：

D1 D2繞組施加的是：U1S= U1msinαsinωt

D3 D4繞組施加的是：U1C= U1mcosαsinωt

在轉子上的Z1 Z2繞組中得到的輸出電壓即為：

U2=kU1mcos(α-θ) sinωt

當α不變時，U2的幅值將隨定、轉子之間的轉角θ的改變而變化，當測量出U2的幅值，即可得到相應的機械轉角θ值。

2 不同反饋方式組成的系統(tǒng)

運用不同的測量器件，可以組成不同的系統(tǒng)，從測量器件入手了解系統(tǒng)架構是一條捷徑。

2.1 脈沖比較式進給伺服系統(tǒng)

脈沖比較式進給伺服系統(tǒng)的控制框圖如下圖所示，該方式的伺服系統(tǒng)通常主要由3個功能模塊構成，其一是對光電編碼器產(chǎn)生的反饋信息進行處理的模塊，以輸出反映工作臺實際位置的反饋脈沖ff。其二是實現(xiàn)指令脈沖fp與反饋脈沖ff進行比較的模塊，用以產(chǎn)生位置偏差值e。其三是速度調(diào)節(jié)模塊，以實現(xiàn)用位置偏差值e來控制并驅動伺服電動機運轉。

圖6：脈沖比較式進給伺服系統(tǒng)

脈沖比較式進給伺服系統(tǒng)的指令與反饋信號均為數(shù)字量，比較結果的輸出也是數(shù)字量，而速度控制部分（如圖中的伺服放大器）是模擬量，所以在比較環(huán)節(jié)與伺服放大器之間加入了數(shù)模轉換器。

2.2 相位比較式進給伺服系統(tǒng)

相位比較式進給伺服系統(tǒng)的工作原理框圖如下圖所示，由圖可見，該方式的伺服系統(tǒng)主要由基準信號發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、鑒相器、伺服放大器、伺服電動機、感應同步器與濾波放大（2個）構成。

圖7：相位比較式進給伺服系統(tǒng)

系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能作用：

1、基準信號發(fā)生器

基準信號發(fā)生器主要是由石英晶體振蕩器組成，它產(chǎn)生頻率為f0的基準脈沖信號提供給脈沖調(diào)相器使用。

2、脈沖調(diào)相器

脈沖調(diào)相器的作用有二個，其一是對頻率為f0的基準脈沖信號進行分頻，并把分頻后的信號輸出作為位置檢測元件（感應同步器）的激磁信號。其二是把頻率為f0的基準脈沖信號與指令脈沖疊加后進行分頻（與前者的分頻級數(shù)相同）后，輸出指令信號PA（θ）送入鑒相器。

3、鑒相器

鑒相器是用來檢測指令信號PA（θ）與反饋信號PB（θ）二個同頻率信號的相位差，并把該相位差輸出，送到伺服放大器。

4、伺服放大器

此處的伺服放大器的作用是把PA（θ）PB（θ）二個同頻率信號的相位差轉換成電壓，并進行放大，用以驅動伺服電動機。

5、感應同步器

感應同步器用作位置檢測，分定尺與滑尺二個部分，在滑尺上施加激磁電壓，檢測結果由定尺輸出，把工作臺移動的位置變化轉換成信號電壓相位的變化。

6、濾波放大

濾波放大環(huán)節(jié)有二個，其中一個是對脈沖調(diào)相器輸出的激磁信號電壓進行濾波并放大，而另一個是對由感應同步器輸出的位置檢測信號電壓進行濾波并放大。

2.3 幅值比較式進給伺服系統(tǒng)

幅值比較式進給伺服系統(tǒng)如下圖，由圖可見，它主要由數(shù)/模轉換器、伺服放大器、伺服電動機、旋轉變壓器、鑒幅器、電壓/頻率轉換器與勵磁電路構成。

圖8：幅值比較式京給伺服系統(tǒng)

系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能作用：

1、數(shù)/模轉換器

數(shù)/模轉換器的作用是把指令脈沖與反饋脈沖比較結果的數(shù)字偏差信號轉換成模擬偏差信號，并把此模擬偏差信號輸出送入伺服放大器而作為速度的指令信號。

2、旋轉變壓器

旋轉變壓器的作用是把伺服電動機旋轉的角位移轉換成感應電動勢輸出送入鑒幅器。

3、鑒幅器

鑒幅器的作用是把反應勵磁信號電壓的相位角ф與轉子的轉角θ的差值的電壓幅值檢測出來，送到電壓/頻率轉換器之中。

4、電壓/頻率轉換器

電壓/頻率轉換器的作用是把鑒幅器輸出的幅值電壓信號轉換成數(shù)字量，以便和輸入給定脈沖比較。

5、勵磁電路

勵磁電路的作用是把反饋脈沖信號變成與該脈沖數(shù)量大小成正比的相位變化的勵磁信號，再施加于旋轉變壓器上。它產(chǎn)生的作用是：當伺服電動機轉動時，與電動機同軸的旋轉變壓器轉子的轉角θ（實際上是轉子繞組軸線與定子繞組軸線之間的夾角）增大，反饋脈沖ff也隨著增加，即進入勵磁電路的ff是隨著θ增大而增加，通過勵磁電路的作用使勵磁電壓的相位角ф也增大。

2.4 數(shù)據(jù)采樣式進給伺服系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采樣式伺服系統(tǒng)的位置、速度和電流所構成的三環(huán)的反饋量全部為數(shù)字量，PID調(diào)節(jié)采用軟件來進行數(shù)字化處理。該方式的伺服系統(tǒng)使用靈活，柔性高，控制精度與控制品質(zhì)均較其它方式有較大的提高。

數(shù)據(jù)采樣式進給伺服系統(tǒng)的構成如下圖所示，由圖可見，它主要由插補、伺服輸出組件、速度控制單元、伺服電動機、光電編碼器、位置檢測組件等構成。

圖9：數(shù)據(jù)采樣式進給伺服系統(tǒng)

3 數(shù)控系統(tǒng)跟控制架構關聯(lián)的常見故障及處理方向

了解了伺服控制系統(tǒng)的架構，對我們的維修有現(xiàn)實指導意義，它使我們判斷故障的方向更清晰。

下面就與控制架構關聯(lián)的常見調(diào)試、故障問題及處置方向做簡要討論。

3.1 增益與精度的關系

多數(shù)人都不知道增益與精度的關系。和一般的閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣，比例放大倍數(shù)（增益）和精度是直接相關的，而且是正比關系，即增益設置越高，則系統(tǒng)控制精度越高，也就是跟隨誤差越小。這是在調(diào)試中應該知道的。

3.2 增益與系統(tǒng)出力的關系

同樣，增益和系統(tǒng)出力有關，一般來講，增益越大則系統(tǒng)驅動能力越強，動態(tài)相應速度越快。當然系統(tǒng)出力能力受伺服系統(tǒng)本身最大輸出能力的限制，這個能力包括電機的額定扭矩、驅動板輸出功率元件的額定電流、保護參數(shù)的設置等。

案例：數(shù)控車床某軸出現(xiàn)爬行、啃刀、悶車等現(xiàn)象，檢查非機械負載問題，考慮是否增益給的太小，適當調(diào)高增益后問題消除。

3.3 增益與穩(wěn)定性的關系

既然提高增益有利于提升精度和驅動特性，增益是不是越大越好？答案是否定的。因為增益越大，則系統(tǒng)越不穩(wěn)定，過大時系統(tǒng)容易出現(xiàn)振蕩（床身高頻震動）。

所以增益的調(diào)整要根據(jù)實際工藝情況，在滿足零件質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性（不引起振蕩）的情況下，盡量調(diào)到最大并留有一頂?shù)姆€(wěn)定裕度。

案例：數(shù)控車床在加工時，零件表面出現(xiàn)輕微波紋。分析和增益過大引起刀架電機振蕩有關，適當減小增益后，波紋消失。

3.4 位置環(huán)誤差——位置傳感器與系統(tǒng)的匹配

更換位置傳感器時，要注意系統(tǒng)參數(shù)設置與傳感器的匹配。一般系統(tǒng)設置需要計算脈沖當量（一個反饋脈沖代表的進給距離），以法那克系統(tǒng)的光電編碼器為例，需要正確設置每轉脈沖數(shù)（線數(shù)）、每轉進給量這兩個參數(shù)。參數(shù)設置與傳感器不匹配時，將發(fā)生誤差報警。

案例：某數(shù)控軸齒機，一軸伺服電機損壞，從另一臺正常設備置換一臺新伺服電機（帶編碼器）后故障無法消除，而該電機在另一臺設備上是好用的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，置換的電機編碼器線數(shù)和損壞電機編碼器差一倍。修改上述兩個參數(shù)重新調(diào)試，設備恢復正常。

3.5 位置環(huán)誤差——傳動系統(tǒng)間隙

數(shù)控伺服軸包括驅動板、電機、機械負載、反饋元件幾個部分，其中電機、機械負載是通過傳動系統(tǒng)相連的。如果機械傳動機構產(chǎn)生間隙，則可能給系統(tǒng)造成誤差。

為消除誤差，反饋結構也分兩種：

半閉環(huán)：傳感器裝在電機軸上，不能正確反映機械系統(tǒng)的間隙誤差。

全閉環(huán)：傳感器裝在機械移動方向上檢測實際移動距離，能正確反映機械系統(tǒng)的誤差。

針對半閉環(huán)系統(tǒng)，必須要在系統(tǒng)參數(shù)中正確設置機械傳動的間隙，系統(tǒng)計算時把這個誤差計算到位置環(huán)中去。在設置這個參數(shù)前，就要用千分表打出傳動間隙的大小。而且，這個參數(shù)是要定期測量和調(diào)整的。

案例：一臺數(shù)控磨床，大修后測試機械間隙，然后設置了參數(shù)。但加工中發(fā)現(xiàn)尺寸跳動很大，而且毫無規(guī)律，幾次修正間隙數(shù)據(jù)都無法穩(wěn)定。經(jīng)檢查機械結構，發(fā)現(xiàn)裝配時滑臺、絲杠裝配沒到位，重新安裝、調(diào)整后問題消除。

3.6 電流環(huán)報警——機械過載

電流環(huán)多次報警，顯示負載過電流時，要檢查機械傳動是否有死點，絲杠是否變形，潤滑狀態(tài)是否良好等問題。數(shù)控系統(tǒng)為保證良好的動態(tài)相應和精度，機械傳動系統(tǒng)必須精心維護保養(yǎng)。

3.7 數(shù)字干擾問題

由于數(shù)控系統(tǒng)使用脈沖環(huán)節(jié)，早期的產(chǎn)品抗干擾技術不過關，使用精度很大程度受到現(xiàn)場電網(wǎng)質(zhì)量的影響。在諧波比較大的場合，如焊接設備、大功率變頻器等，都會對設備造成影響。為此需要有效減少諧波設備的使用，并強化系統(tǒng)的抗干擾能力。

案例：數(shù)控磨床，加工時精度不穩(wěn)定，不滿足工藝要求。經(jīng)過現(xiàn)場測試和分析，發(fā)現(xiàn)受到附近一臺15KVA變頻器的干擾，每當變頻器啟動時，加工精度即不合格。用示波器觀察數(shù)控給定脈沖發(fā)現(xiàn)混入了大量諧波尖峰信號。后在信號端增加濾波電路，狀況明顯好轉。

其實，數(shù)控系統(tǒng)還有很多調(diào)試問題和故障現(xiàn)象與系統(tǒng)架構有關，只要正確掌握設備的控制架構，了解架構中硬、軟件的特征，就能正確選擇分析和處理方向。

審核編輯：湯梓紅