伺服系統控制架構解析及應用

陳 剛

（一汽轎車股份有限公司技術部 長春）

一、幾種最常用的位置檢測器件

數控機床的測量反饋系統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。數控系統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.相對式光電脈沖編碼器

相對式光電脈沖編碼器是一種光學器件。它由光源發光，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，3個光敏元件將各自接收到一個光電脈沖列。這3個脈沖列經后續電路整理，變成需要的 A、A*、B、B*、Z 和 Z* 等 6 組信號， 其中，A、A*、B 和 B*信號用于計算位移量，由外圈透光條紋和上面兩個光敏元件產生；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生。普通編碼器的精度大致在50～10 000線。帶有*號的信號和原信號相位差180°。A、B信號間相差90°，由A、B信號哪一個超前可以判斷電機的轉向。這種器件可以在先算知每個脈沖的等效位移后，通過對脈沖計數來測量機械部件的實際位移量。初期數控設備的反饋器件大多數是這種編碼器。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電機每轉脈沖數和每轉進給量這兩個數據給出的。這在數控系統中是兩個重要參數，維修中曾經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3天也找不到原因的先例。

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經過編碼的，光敏元件個數也與編碼的位數相同（圖1）。圖1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4列信號，可以準確判斷機床電機軸和絲杠的當前角度位置，故稱為絕對式編碼器。通過計數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。

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=Umcosωt；余弦繞組：Uc=Umsinωt時，定尺中的輸出電壓為：Uoc=kUmsin（ ωt+θ），其中，k為電磁耦合系數，θ=2π×位移量/T，T又稱為節距。可見，輸出電壓是位移量的函數。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。

圖1 四位編碼盤示意圖

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）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，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相等且在空間上互差90°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。

正余弦旋轉變壓器可分為鑒相式與鑒幅式2種工作方式。

（1）鑒相式工作方式。鑒相式工作方式是在定子的2個繞組上分別施加同幅、同頻，但相位相差90°的2個交流勵磁電壓，即：D1D2繞組施加的是：U1s=U1msinωt，D3D4繞組施加的是：U1c=U1mcosωt，在轉子上的 Z1Z2繞組中得到的輸出為：U2=kU1mcos（ ωtθ）。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2個繞組上分別施加同相位、同頻率，但幅度不同的2個交流勵磁電壓，即：D1D2繞組施加的是：U1S=U1msinαsinωt，D3D4繞組施加的是：U1C=U1mcosαsinωt，在轉子上的Z1Z2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。

二、不同反饋方式組成的系統

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

1.脈沖比較式進給伺服系統

脈沖比較式進給伺服系統通常主要由3個功能模塊構成，一是對光電編碼器產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。二是實現指令脈沖fp與反饋脈沖ff進行比較的模塊，用以產生位置偏差值e。三是速度調節模塊，以實現用位置偏差值e來控制并驅動伺服電動機運轉。脈沖比較式進給伺服系統的指令與反饋信號均為數字量，比較結果的輸出也是數字量，而速度控制部分是模擬量，所以在比較環節與伺服放大器之間加入了數模轉換器。

2.相位比較式進給伺服系統

相位比較式進給伺服系統主要由基準信號發生器、脈沖調相器、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。系統中各環節的功能作用如下。

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

（2）脈沖調相器。脈沖調相器的作用有2個，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。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）2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）兩個同頻率信號的相位差轉換成電壓，并進行放大，用以驅動伺服電機。

（5）感應同步器。感應同步器用作位置檢測，分定尺與滑尺2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。濾波放大環節有兩個，一是對脈沖調相器輸出的激磁信號電壓進行濾波并放大，二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。

3.幅值比較式進給伺服系統

幅值比較式進給伺服系統主要由數/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。系統中各環節的功能作用如下。

（1）數/模轉換器。數/模轉換器的作用是把指令脈沖與反饋脈沖比較結果的數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Φ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。它產生的作用是：當伺服電機轉動時，與電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Φ也增大。

4.數據采樣式進給伺服系統

數據采樣式伺服系統的位置、速度和電流所構成的三環的反饋量全部為數字量，PID調節采用軟件來進行數字化處理。該方式的伺服系統使用靈活，柔性高，控制精度與控制品質均較其它方式有較大的提高。數據采樣式進給伺服系統主要由插補、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。

三、數控系統跟控制架構關聯的常見故障及處理方向

了解了伺服控制系統的架構，對維修有現實指導意義，使得判斷故障的方向更清晰。下面就與控制架構關聯的常見調試、故障問題及處置方向做簡要討論。

1.增益與精度的關系

多數人都不知道增益與精度的關系。和一般的閉環控制系統一樣，比例放大倍數（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，則系統控制精度越高，也就是跟隨誤差越小。這是在調試中應該知道的。

2.增益與系統出力的關系

同樣，增益和系統出力有關，一般來講，增益越大則系統驅動能力越強，動態相應速度越快。當然系統出力能力受伺服系統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、保護參數的設置等。

案例：數控車床某軸出現爬行、啃刀、悶車等現象，檢查非機械負載問題，考慮是否增益給的太小，適當調高增益后問題消除。

3.增益與穩定性的關系

雖然提高增益有利于提升精度和驅動特性，但是增益也不是越大越好。因為增益越大，則系統越不穩定，過大時系統容易出現振蕩（床身高頻震動）。所以增益的調整要根據實際工藝情況，在滿足零件質量、系統穩定性（不引起振蕩）的情況下，盡量調到最大并留有一頂的穩定裕度。

案例：數控車床在加工時，零件表面出現輕微波紋。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。

4.位置環誤差——位置傳感器與系統的匹配

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

案例：某數控軸齒機，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。經過分析發現，置換的電機編碼器線數和損壞電機編碼器差一倍。修改上述兩個參數重新調試，設備恢復正常。

5.位置環誤差——傳動系統間隙

數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相連的。如果機械傳動機構產生間隙，則可能給系統造成誤差。

為消除誤差，反饋結構也分兩種：①半閉環，傳感器裝在電機軸上，不能正確反映機械系統的間隙誤差。②全閉環，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的誤差。

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

案例：一臺數控磨床，大修后測試機械間隙，然后設置了參數。但加工中發現尺寸跳動很大，而且毫無規律，幾次修正間隙數據都無法穩定。經檢查機械結構，發現裝配時滑臺、絲杠裝配沒到位，重新安裝、調整后問題消除。

6.電流環報警——機械過載

電流環多次報警，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，潤滑狀態是否良好等問題。數控系統為保證良好的動態相應和精度，機械傳動系統必須精心維護保養。

7.數字干擾問題

由于數控系統使用脈沖環節，早期的產品抗干擾技術不過關，使用精度很大程度受到現場電網質量的影響。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，并強化系統的抗干擾能力。

案例：數控磨床，加工時精度不穩定，不滿足工藝要求。經過現場測試和分析，發現受到附近一臺15 kV·A變頻器的干擾，每當變頻器啟動時，加工精度即不合格。用示波器觀察數控給定脈沖發現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，數控系統還有很多調試問題和故障現象與系統架構有關，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。