随着计算机控制技术、现代电机调速技术、通讯技术的飞速发展，我们迎来了数字化工厂时代。在数字化工厂方案中，作为柔性制造的终端设备，加工中心、数控机床等已经成为数字工厂必不可少的载体。数字控制设备的控制核心是计算机技术的延伸，而作为执行机构的伺服系统则是现代电机调速技术的核心。电气伺服系统的原理掌握和维护一直是制约数控设备维修的技术难题，为更好地维护数控设备，需要进行深入探讨和掌握。本文从伺服系统的检测硬件开始入手，结合对从计算机系统到执行机构的控制模型的探讨，深入解析了伺服系统的原理，及运用控制架构分析故障的方法。1.几种Zui常见的位置检测器件数控机床的测量反馈系统是为测知实际控制输出的大小变化，与给定比较以对控制误差进行校正而设计的。数控系统的位置测量器件种类很多，这里就光电脉冲编码器、旋转变压器做等常见器件做简单介绍1.1 相对式光电脉冲编码器▲图1：相对式光电脉冲编码器原理图相对式光电脉冲编码器是一种光学器件。它由光源发光，一片透镜收集光源光线并投射到与电机同轴安装的光电盘上。光电盘上刻有等距离的透光条纹，当它旋转时，三个光敏元件将各自接收到一个光电脉冲列。这三个脉冲列经后续电路整理，变成我们需要的A、A*、B、B*、Z、Z*六组信号。以上信号中A、A*、B、B用于计算位移量，由外圈透光条纹和上面两个光敏元件产生。Z、Z用来做位置基准，由里圈的一个粗条纹和下面的光敏元件产生。其波形图为图2所示。由上图可以看出，位移脉冲信号电机每转一转时有多个。电机每转传感器发出的脉冲数称为“线数”。基准信号电机每转则只有一个。普通编码器的精度大致在50-10000线左右。带有*号的信号和原信号相位差180度。A、B信号间相差90度，由A、B信号哪一个超前可以判断电机的转向。▲图2：相对式光电编码器信号波形图从上述介绍我们可以看出，这种器件可以在先算知每个脉冲的等效位移后，通过对脉冲计数来测量机械部件的实际位移量。初期数控设备的反馈器件大多数是这种编码器。一个脉冲对应的工作台位移量又叫脉冲当量，脉冲当量一般是通过如下两个数据给出的：1）电机每转脉冲数；2）每转进给量。这在数控系统中是两个重要参数，维修中曾经有仅因这里没有弄清楚，在更换电机后报位置误差错误，修理三天找不到原因的先例。1.2 juedui式光电脉冲编码器juedui式光电编码器与相对式不同，它不但可以测得位移量，而且可以计算机械部件的当前juedui位置。其信号测量原理基本与相对式编码器相同，所不同的是其光电码盘刻录的透光缝是编码了的，光敏元件个数也与编码的位数相同。图3给出了一个四位编码盘的示意图。图3：四位编码盘示意图上图中，透光为1，遮光为0。从0000开始，顺时针方向的编码分别为0001、0010、0011、…、1111，即为BCD编码。按照这个编码盘读出的四列信号，我们可以准确判断机床电机轴和丝杠的当前角度位置，所以叫做juedui式编码器。通过计数我们也可以得到机床实际的位移量。考虑容错设计，实际编码的顺序要求相临两个编码只能有一位跳变，因此不是按从0000到1111，这样的编码也叫格雷码。1.3 感应同步器感应同步器也是一种位置测量器件，尤其在装备有数显设备的机床上使用较多。其基本结构由定尺和滑尺组成。定尺上腐蚀有一组矩形铜绕组，而滑尺上腐蚀有两组，其中一组叫做正弦绕组，另一组叫做余弦绕组。它应用了电磁感应的原理。当在滑尺绕组加入励磁：正弦绕组：Us=Um cosωt余弦绕组：Uc=Um sinωt时，定尺中的输出电压为：Uoc=K Um sin（ωt+θ）其中，K为电磁耦合系数，θ=2π×位移量/T，T又称为节距。图4：感应同步器的原理图可见，输出电压是位移量的函数。通过判断θ角的大小也可以判断当前机床的juedui位置。所以，这也是一种juedui式位置测量器件。1.4 旋转变压器旋转变压器又称为同步分解器，它是一种用于将机械转角转换为电压信号输出的测量元件。1.4.1 旋转变压器的分类、结构与工作原理1、旋转变压器的分类旋转变压器的分类方式有三种，按极对数的多少，可分为单极对与多极对旋转变压器；按有无电刷与集流环，可分为有刷式与无刷式旋转变压器；按输出电压与转角之间的函数关系，可分为正余弦旋转变压器与线性旋转变压器。2、正余弦旋转变压器的基本工作原理旋转变压器与普通的绕线式转子电动机相似，也是由定子与转子组成。它的定、转子绕组是二个匝数相等且在空间上互差90º电气角度的正、余弦绕组。旋转变压器是一个可以旋转的变压器，其工作原理与普通的变压器相似，其定子绕组相当于普通变压器的一次绕组（励磁绕组），而转子绕组相当于普通变压器的二次绕组（输出绕组）。旋转变压器与普通变压器的主要区别在于：普通变压器一、二次绕组的相对位置是固定的，变压比是不变的。而旋转变压器一、二次绕组的相对位置是随转子的转动而变化的，在一次绕组中加以电压激励时，二次绕组的输出电压随转子相对于定子的位置不同而不同。正余弦旋转变压器的原理如下图所示，D是定子上的二个互差90º的电角度的正余弦绕组，Z是转子上的二个互差90º的电角度的正余弦绕组。1.4.2 正余弦旋转变压器的工作方式正余弦旋转变压器可分为鉴相式与鉴幅式二种工作方式。图5：旋转变压器原理图1、鉴相式工作方式鉴相式工作方式是在定子的二个绕组上分别施加同幅、同频，但相位相差90º的二个交流励磁电压，即：D1 D2绕组施加的是：U1s= U1msinωtD3 D4绕组施加的是：U1c= U1mcosωt在转子上的Z1 Z2绕组中得到的输出为：U2= kU1mcos(ωt-θ)所以，比较转子绕组的输出电压U2与定子绕组的励磁电压U1c的相位，即可得到相应的机械转角θ值。2、鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式是在定子的二个绕组上分别施加同相位、同频率，但幅度不同的二个交流励磁电压，即：D1 D2绕组施加的是：U1S= U1msinαsinωtD3 D4绕组施加的是：U1C= U1mcosαsinωt在转子上的Z1 Z2绕组中得到的输出电压即为：U2=kU1mcos(α-θ) sinωt当α不变时，U2的幅值将随定、转子之间的转角θ的改变而变化，当测量出U2的幅值，即可得到相应的机械转角θ值。