伺服系統(tǒng)控制架構(gòu)解析及應(yīng)用

陳 剛

（一汽轎車股份有限公司技術(shù)部 長(zhǎng)春）

一、幾種最常用的位置檢測(cè)器件

數(shù)控機(jī)床的測(cè)量反饋系統(tǒng)是為測(cè)知實(shí)際控制輸出的大小變化，與給定比較以對(duì)控制誤差進(jìn)行校正而設(shè)計(jì)的。數(shù)控系統(tǒng)的位置測(cè)量器件種類很多，這里就光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器做等常見器件做簡(jiǎn)單介紹。

1.相對(duì)式光電脈沖編碼器

相對(duì)式光電脈沖編碼器是一種光學(xué)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(jī)同軸安裝的光電盤上。光電盤上刻有等距離的透光條紋，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，3個(gè)光敏元件將各自接收到一個(gè)光電脈沖列。這3個(gè)脈沖列經(jīng)后續(xù)電路整理，變成需要的 A、A*、B、B*、Z 和 Z* 等 6 組信號(hào)， 其中，A、A*、B 和 B*信號(hào)用于計(jì)算位移量，由外圈透光條紋和上面兩個(gè)光敏元件產(chǎn)生；Z、Z*用來做位置基準(zhǔn)，由里圈的一個(gè)粗條紋和下面的光敏元件產(chǎn)生。普通編碼器的精度大致在50～10 000線。帶有*號(hào)的信號(hào)和原信號(hào)相位差180°。A、B信號(hào)間相差90°，由A、B信號(hào)哪一個(gè)超前可以判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這種器件可以在先算知每個(gè)脈沖的等效位移后，通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量機(jī)械部件的實(shí)際位移量。初期數(shù)控設(shè)備的反饋器件大多數(shù)是這種編碼器。一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)位移量又叫脈沖當(dāng)量，脈沖當(dāng)量一般是通過電機(jī)每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量這兩個(gè)數(shù)據(jù)給出的。這在數(shù)控系統(tǒng)中是兩個(gè)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(jī)后報(bào)位置誤差錯(cuò)誤，修理3天也找不到原因的先例。

2.絕對(duì)式光電脈沖編碼器

絕對(duì)式光電編碼器與相對(duì)式不同，它不但可以測(cè)得位移量，而且可以計(jì)算機(jī)械部件的當(dāng)前絕對(duì)位置。其信號(hào)測(cè)量原理基本與相對(duì)式編碼器相同，所不同的是其光電碼盤刻錄的透光縫是經(jīng)過編碼的，光敏元件個(gè)數(shù)也與編碼的位數(shù)相同（圖1）。圖1中，透光為1，遮光為0。從0000開始，順時(shí)針方向的編碼分別為0001、0010、0011……1111，即為BCD編碼。按照這個(gè)編碼盤讀出的4列信號(hào)，可以準(zhǔn)確判斷機(jī)床電機(jī)軸和絲杠的當(dāng)前角度位置，故稱為絕對(duì)式編碼器。通過計(jì)數(shù)也可以得到機(jī)床實(shí)際的位移量?？紤]容錯(cuò)設(shè)計(jì)，實(shí)際編碼的順序要求相臨兩個(gè)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(yīng)同步器

感應(yīng)同步器也是一種位置測(cè)量器件，尤其在裝備有數(shù)顯設(shè)備的機(jī)床上使用較多。其基本結(jié)構(gòu)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(yīng)用了電磁感應(yīng)的原理。當(dāng)在滑尺繞組加入勵(lì)磁，正弦繞組：Us=Umcosωt；余弦繞組：Uc=Umsinωt時(shí)，定尺中的輸出電壓為：Uoc=kUmsin（ 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。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(dāng)前機(jī)床的絕對(duì)位置。所以，這也是一種絕對(duì)式位置測(cè)量器件。

圖1 四位編碼盤示意圖

4.旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器又稱為同步分解器，它是一種用于將機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出的測(cè)量元件。

（1）旋轉(zhuǎn)變壓器的分類。旋轉(zhuǎn)變壓器的分類方式有三種，按極對(duì)數(shù)的多少，可分為單極對(duì)與多極對(duì)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變壓器；按輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系，可分為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器與線性旋轉(zhuǎn)變壓器。

（2）正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的基本工作原理。旋轉(zhuǎn)變壓器與普通的繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)相似，也是由定子與轉(zhuǎn)子組成。它的定、轉(zhuǎn)子繞組是二個(gè)匝數(shù)相等且在空間上互差90°電氣角度的正、余弦繞組。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)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(dāng)于普通變壓器的一次繞組（勵(lì)磁繞組），而轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于普通變壓器的二次繞組（輸出繞組）。旋轉(zhuǎn)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(duì)位置是固定的，變壓比是不變的。而旋轉(zhuǎn)變壓器一、二次繞組的相對(duì)位置是隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化的，在一次繞組中加以電壓激勵(lì)時(shí)，二次繞組的輸出電壓隨轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置不同而不同。

正余弦旋轉(zhuǎn)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(gè)繞組上分別施加同幅、同頻，但相位相差90°的2個(gè)交流勵(lì)磁電壓，即：D1D2繞組施加的是：U1s=U1msinωt，D3D4繞組施加的是：U1c=U1mcosωt，在轉(zhuǎn)子上的 Z1Z2繞組中得到的輸出為：U2=kU1mcos（ ωtθ）。所以，比較轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓U2與定子繞組的勵(lì)磁電壓U1c的相位，即可得到相應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)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(gè)繞組上分別施加同相位、同頻率，但幅度不同的2個(gè)交流勵(lì)磁電壓，即：D1D2繞組施加的是：U1S=U1msinαsinωt，D3D4繞組施加的是：U1C=U1mcosαsinωt，在轉(zhuǎn)子上的Z1Z2繞組中得到的輸出電壓即為：U2=kU1mcos（ α-θ）sinωt。 當(dāng) α 不變時(shí)，U2的幅值將隨定、轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)角θ的改變而變化，當(dāng)測(cè)量出U2的幅值，即可得到相應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)角θ值。

二、不同反饋方式組成的系統(tǒng)

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

1.脈沖比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)

脈沖比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常主要由3個(gè)功能模塊構(gòu)成，一是對(duì)光電編碼器產(chǎn)生的反饋信息進(jìn)行處理的模塊，以輸出反映工作臺(tái)實(shí)際位置的反饋脈沖ff。二是實(shí)現(xiàn)指令脈沖fp與反饋脈沖ff進(jìn)行比較的模塊，用以產(chǎn)生位置偏差值e。三是速度調(diào)節(jié)模塊，以實(shí)現(xiàn)用位置偏差值e來控制并驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。脈沖比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)的指令與反饋信號(hào)均為數(shù)字量，比較結(jié)果的輸出也是數(shù)字量，而速度控制部分是模擬量，所以在比較環(huán)節(jié)與伺服放大器之間加入了數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

2.相位比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)

相位比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、脈沖調(diào)相器、鑒相器、伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)同步器與濾波放大（2個(gè)）構(gòu)成。系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能作用如下。

（1）基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器?；鶞?zhǔn)信號(hào)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(zhǔn)脈沖信號(hào)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2個(gè)，一是對(duì)頻率為f0的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行分頻，并把分頻后的信號(hào)輸出作為位置檢測(cè)元件（感應(yīng)同步器）的激磁信號(hào)。二是把頻率為f0的基準(zhǔn)脈沖信號(hào)與指令脈沖疊加后進(jìn)行分頻（與前者的分頻級(jí)數(shù)相同）后，輸出指令信號(hào)PA（θ）送入鑒相器。

（3）鑒相器。鑒相器是用來檢測(cè)指令信號(hào)PA（θ）與反饋信號(hào)PB（θ）2個(gè)同頻率信號(hào)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(gè)同頻率信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換成電壓，并進(jìn)行放大，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。

（5）感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器用作位置檢測(cè)，分定尺與滑尺2個(gè)部分，在滑尺上施加激磁電壓，檢測(cè)結(jié)果由定尺輸出，把工作臺(tái)移動(dòng)的位置變化轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓相位的變化。

（6）濾波放大。濾波放大環(huán)節(jié)有兩個(gè)，一是對(duì)脈沖調(diào)相器輸出的激磁信號(hào)電壓進(jìn)行濾波并放大，二是對(duì)由感應(yīng)同步器輸出的位置檢測(cè)信號(hào)電壓進(jìn)行濾波并放大。

3.幅值比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)

幅值比較式進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、伺服放大器、伺服電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、鑒幅器、電壓/頻率轉(zhuǎn)換器與勵(lì)磁電路構(gòu)成。系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的功能作用如下。

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

（2）旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器的作用是把伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出送入鑒幅器。

（3）鑒幅器。鑒幅器的作用是把反應(yīng)勵(lì)磁信號(hào)電壓的相位角Φ與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ的差值的電壓幅值檢測(cè)出來，送到電壓/頻率轉(zhuǎn)換器之中。

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

（5）勵(lì)磁電路。勵(lì)磁電路的作用是把反饋脈沖信號(hào)變成與該脈沖數(shù)量大小成正比的相位變化的勵(lì)磁信號(hào)，再施加于旋轉(zhuǎn)變壓器上。它產(chǎn)生的作用是：當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與電機(jī)同軸的旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角θ（實(shí)際上是轉(zhuǎn)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(jìn)入勵(lì)磁電路的ff是隨著θ增大而增加，通過勵(lì)磁電路的作用使勵(lì)磁電壓的相位角Φ也增大。

4.數(shù)據(jù)采樣式進(jìn)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(gòu)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(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由插補(bǔ)、伺服輸出組件、速度控制單元、伺服電動(dòng)機(jī)、光電編碼器、位置檢測(cè)組件等構(gòu)成。

三、數(shù)控系統(tǒng)跟控制架構(gòu)關(guān)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(gòu)，對(duì)維修有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義，使得判斷故障的方向更清晰。下面就與控制架構(gòu)關(guān)聯(lián)的常見調(diào)試、故障問題及處置方向做簡(jiǎn)要討論。

1.增益與精度的關(guān)系

多數(shù)人都不知道增益與精度的關(guān)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(guān)的，而且是正比關(guān)系，即增益設(shè)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(yīng)該知道的。

2.增益與系統(tǒng)出力的關(guān)系

同樣，增益和系統(tǒng)出力有關(guān)，一般來講，增益越大則系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度越快。當(dāng)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(gè)能力包括電機(jī)的額定扭矩、驅(qū)動(dòng)板輸出功率元件的額定電流、保護(hù)參數(shù)的設(shè)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(jī)械負(fù)載問題，考慮是否增益給的太小，適當(dāng)調(diào)高增益后問題消除。

3.增益與穩(wěn)定性的關(guān)系

雖然提高增益有利于提升精度和驅(qū)動(dòng)特性，但是增益也不是越大越好。因?yàn)樵鲆嬖酱螅瑒t系統(tǒng)越不穩(wěn)定，過大時(shí)系統(tǒng)容易出現(xiàn)振蕩（床身高頻震動(dòng)）。所以增益的調(diào)整要根據(jù)實(shí)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(shí)，零件表面出現(xiàn)輕微波紋。分析和增益過大引起刀架電機(jī)振蕩有關(guān)，適當(dāng)減小增益后，波紋消失。

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(shí)，要注意系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與傳感器的匹配。一般系統(tǒng)設(shè)置需要計(jì)算脈沖當(dāng)量（一個(gè)反饋脈沖代表的進(jìn)給距離），以法那克系統(tǒng)的光電編碼器為例，需要正確設(shè)置每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（線數(shù)）、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量這兩個(gè)參數(shù)。參數(shù)設(shè)置與傳感器不匹配時(shí)，將發(fā)生誤差報(bào)警。

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

5.位置環(huán)誤差——傳動(dòng)系統(tǒng)間隙

數(shù)控伺服軸包括驅(qū)動(dòng)板、電機(jī)、機(jī)械負(fù)載、反饋元件幾個(gè)部分，其中電機(jī)、機(jī)械負(fù)載是通過傳動(dòng)系統(tǒng)相連的。如果機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生間隙，則可能給系統(tǒng)造成誤差。

為消除誤差，反饋結(jié)構(gòu)也分兩種：①半閉環(huán)，傳感器裝在電機(jī)軸上，不能正確反映機(jī)械系統(tǒng)的間隙誤差。②全閉環(huán)，傳感器裝在機(jī)械移動(dòng)方向上檢測(cè)實(shí)際移動(dòng)距離，能正確反映機(jī)械系統(tǒng)的誤差。

針對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)，必須要在系統(tǒng)參數(shù)中正確設(shè)置機(jī)械傳動(dòng)的間隙，系統(tǒng)計(jì)算時(shí)把這個(gè)誤差計(jì)算到位置環(huán)中去。在設(shè)置這個(gè)參數(shù)前，就要用千分表打出傳動(dòng)間隙的大小。而且，這個(gè)參數(shù)是要定期測(cè)量和調(diào)整的。

案例：一臺(tái)數(shù)控磨床，大修后測(cè)試機(jī)械間隙，然后設(shè)置了參數(shù)。但加工中發(fā)現(xiàn)尺寸跳動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)裝配時(shí)滑臺(tái)、絲杠裝配沒到位，重新安裝、調(diào)整后問題消除。

6.電流環(huán)報(bào)警——機(jī)械過載

電流環(huán)多次報(bào)警，顯示負(fù)載過電流時(shí)，要檢查機(jī)械傳動(dòng)是否有死點(diǎn)，絲杠是否變形，潤(rùn)滑狀態(tài)是否良好等問題。數(shù)控系統(tǒng)為保證良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)和精度，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)必須精心維護(hù)保養(yǎng)。

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(shù)不過關(guān)，使用精度很大程度受到現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)質(zhì)量的影響。在諧波比較大的場(chǎng)合，如焊接設(shè)備、大功率變頻器等，都會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響。為此需要有效減少諧波設(shè)備的使用，并強(qiáng)化系統(tǒng)的抗干擾能力。

案例：數(shù)控磨床，加工時(shí)精度不穩(wěn)定，不滿足工藝要求。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和分析，發(fā)現(xiàn)受到附近一臺(tái)15 kV·A變頻器的干擾，每當(dāng)變頻器啟動(dòng)時(shí)，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(hào)。后在信號(hào)端增加濾波電路，狀況明顯好轉(zhuǎn)。

其實(shí)，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(gòu)有關(guān)，只要正確掌握設(shè)備的控制架構(gòu)，了解架構(gòu)中硬、軟件的特征，就能正確選擇分析和處理方向。