隨著計算機控制技術、現代電機調速技術、通訊技術的飛速發展，我們迎來了數字化工廠時代。在數字化工廠方案中，作為柔性制造的終端設備，加工中心、數控機床等已經成為數字工廠必不可少的載體。數字控制設備的控制核心是計算機技術的延伸，而作為執行機構的伺服系統則是現代電機調速技術的核心。電氣伺服系統的原理掌握和維護一直是制約數控設備維修的技術難題，為更好地維護數控設備，需要進行深入探討和掌握。本文從伺服系統的檢測硬件開始入手，結合對從計算機系統到執行機構的控制模型的探討，深入解析了伺服系統的原理，及運用控制架構分析故障的方法。1.幾種Zui常見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1.1 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。這三個脈沖列經后續電路整理，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。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。電機每轉傳感器發出的脈沖數稱為“線數”。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如下兩個數據給出的：1）電機每轉脈沖數；2）每轉進給量。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，修理三天找不到原因的先例。1.2 juedui式光電脈沖編碼器juedui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juedui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，光敏元件個數也與編碼的位數相同。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juedui式編碼器。通過計數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，θ=2π×位移量/T，T又稱為節距。圖4：感應同步器的原理圖可見，輸出電壓是位移量的函數。通過判斷θ角的大小也可以判斷當前機床的juedui位置。所以，這也是一種juedui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= U1msinωtD3 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= U1msinαsinωtD3 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。