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2.不同反馈方式组成的系统

运用不同的测量器件，可以组成不同的系统，从测量器件入手了解系统架构是一条捷径。 

2.1 脉冲比较式进给伺服系统
脉冲比较式进给伺服系统的控制框图如下图所示，该方式的伺服系统通常主要由3个功能模块构成，其一是对光电编码器产生的反馈信息进行处理的模块，以输出反映工作台实际位置的反馈脉冲ff。其二是实现指令脉冲fp与反馈脉冲ff进行比较的模块，用以产生位置偏差值e。其三是速度调节模块，以实现用位置偏差值e来控制并驱动伺服电动机运转。
图6：脉冲比较式进给伺服系统
脉冲比较式进给伺服系统的指令与反馈信号均为数字量，比较结果的输出也是数字量，而速度控制部分（如图中的伺服放大器）是模拟量，所以在比较环节与伺服放大器之间加入了数模转换器。
2.2 相位比较式进给伺服系统
相位比较式进给伺服系统的工作原理框图如下图所示，由图可见，该方式的伺服系统主要由基准信号发生器、脉冲调相器、鉴相器、伺服放大器、伺服电动机、感应同步器与滤波放大（2个）构成。

图7：相位比较式进给伺服系统
系统中各环节的功能作用：
1、基准信号发生器
基准信号发生器主要是由石英晶体振荡器组成，它产生频率为f0的基准脉冲信号提供给脉冲调相器使用。
2、脉冲调相器
脉冲调相器的作用有二个，其一是对频率为f0的基准脉冲信号进行分频，并把分频后的信号输出作为位置检测元件（感应同步器）的激磁信号。其二是把频率为f0的基准脉冲信号与指令脉冲叠加后进行分频（与前者的分频级数相同）后，输出指令信号PA（θ）送入鉴相器。
3、鉴相器
鉴相器是用来检测指令信号PA（θ）与反馈信号PB（θ）二个同频率信号的相位差，并把该相位差输出，送到伺服放大器。
4、伺服放大器
此处的伺服放大器的作用是把PA（θ）PB（θ）二个同频率信号的相位差转换成电压，并进行放大，用以驱动伺服电动机。
5、感应同步器
感应同步器用作位置检测，分定尺与滑尺二个部分，在滑尺上施加激磁电压，检测结果由定尺输出，把工作台移动的位置变化转换成信号电压相位的变化。
6、滤波放大
滤波放大环节有二个，其中一个是对脉冲调相器输出的激磁信号电压进行滤波并放大，而另一个是对由感应同步器输出的位置检测信号电压进行滤波并放大。
2.3 幅值比较式进给伺服系统
幅值比较式进给伺服系统如下图，由图可见，它主要由数/模转换器、伺服放大器、伺服电动机、旋转变压器、鉴幅器、电压/频率转换器与励磁电路构成。
图8：幅值比较式京给伺服系统
系统中各环节的功能作用：
1、数/模转换器
数/模转换器的作用是把指令脉冲与反馈脉冲比较结果的数字偏差信号转换成模拟偏差信号，并把此模拟偏差信号输出送入伺服放大器而作为速度的指令信号。
2、旋转变压器
旋转变压器的作用是把伺服电动机旋转的角位移转换成感应电动势输出送入鉴幅器。
3、鉴幅器
鉴幅器的作用是把反应励磁信号电压的相位角ф与转子的转角θ的差值的电压幅值检测出来，送到电压/频率转换器之中。
4、电压/频率转换器
电压/频率转换器的作用是把鉴幅器输出的幅值电压信号转换成数字量，以便和输入给定脉冲比较。
5、励磁电路
励磁电路的作用是把反馈脉冲信号变成与该脉冲数量大小成正比的相位变化的励磁信号，再施加于旋转变压器上。它产生的作用是：当伺服电动机转动时，与电动机同轴的旋转变压器转子的转角θ（实际上是转子绕组轴线与定子绕组轴线之间的夹角）增大，反馈脉冲ff也随着增加，即进入励磁电路的ff是随着θ增大而增加，通过励磁电路的作用使励磁电压的相位角ф也增大。
2.4 数据采样式进给伺服系统
数据采样式伺服系统的位置、速度和电流所构成的三环的反馈量全部为数字量，PID调节采用软件来进行数字化处理。该方式的伺服系统使用灵活，柔性高，控制精度与控制品质均较其它方式有较大的提高。
数据采样式进给伺服系统的构成如下图所示，由图可见，它主要由插补、伺服输出组件、速度控制单元、伺服电动机、光电编码器、位置检测组件等构成。
图9：数据采样式进给伺服系统
3.数控系统跟控制架构关联的常见故障及处理方向

了解了伺服控制系统的架构，对我们的维修有现实指导意义，它使我们判断故障的方向更清晰。

下面就与控制架构关联的常见调试、故障问题及处置方向做简要讨论。

3.1 增益与精度的关系
多数人都不知道增益与精度的关系。和一般的闭环控制系统一样，比例放大倍数（增益）和精度是直接相关的，而且是正比关系，即增益设置越高，则系统控制精度越高，也就是跟随误差越小。这是在调试中应该知道的。
3.2 增益与系统出力的关系
同样，增益和系统出力有关，一般来讲，增益越大则系统驱动能力越强，动态相应速度越快。当然系统出力能力受伺服系统本身Zui大输出能力的限制，这个能力包括电机的额定扭矩、驱动板输出功率元件的额定电流、保护参数的设置等。
案例：数控车床某轴出现爬行、啃刀、闷车等现象，检查非机械负载问题，考虑是否增益给的太小，适当调高增益后问题消除。
3.3 增益与稳定性的关系
既然提高增益有利于提升精度和驱动特性，增益是不是越大越好？答案是否定的。因为增益越大，则系统越不稳定，过大时系统容易出现振荡（床身高频震动）。
所以增益的调整要根据实际工艺情况，在满足零件质量、系统稳定性（不引起振荡）的情况下，尽量调到Zui大并留有一顶的稳定裕度。
案例：数控车床在加工时，零件表面出现轻微波纹。分析和增益过大引起刀架电机振荡有关，适当减小增益后，波纹消失。
3.4 位置环误差——位置传感器与系统的匹配
更换位置传感器时，要注意系统参数设置与传感器的匹配。一般系统设置需要计算脉冲当量（一个反馈脉冲代表的进给距离），以法那克系统的光电编码器为例，需要正确设置每转脉冲数（线数）、每转进给量这两个参数。参数设置与传感器不匹配时，将发生误差报警。
案例：某数控轴齿机，一轴伺服电机损坏，从另一台正常设备置换一台新伺服电机（带编码器）后故障无法消除，而该电机在另一台设备上是好用的。经过分析发现，置换的电机编码器线数和损坏电机编码器差一倍。修改上述两个参数重新调试，设备恢复正常。
3.5 位置环误差——传动系统间隙
数控伺服轴包括驱动板、电机、机械负载、反馈元件几个部分，其中电机、机械负载是通过传动系统相连的。如果机械传动机构产生间隙，则可能给系统造成误差。为消除误差，反馈结构也分两种：
半闭环：传感器装在电机轴上，不能正确反映机械系统的间隙误差。
全闭环：传感器装在机械移动方向上检测实际移动距离，能正确反映机械系统的误差。
针对半闭环系统，必须要在系统参数中正确设置机械传动的间隙，系统计算时把这个误差计算到位置环中去。在设置这个参数前，就要用千分表打出传动间隙的大小。而且，这个参数是要定期测量和调整的。
案例：一台数控磨床，大修后测试机械间隙，然后设置了参数。但加工中发现尺寸跳动很大，而且毫无规律，几次修正间隙数据都无法稳定。经检查机械结构，发现装配时滑台、丝杠装配没到位，重新安装、调整后问题消除。
3.6 电流环报警——机械过载
电流环多次报警，显示负载过电流时，要检查机械传动是否有死点，丝杠是否变形，润滑状态是否良好等问题。数控系统为保证良好的动态相应和精度，机械传动系统必须精心维护保养。
3.7 数字干扰问题
由于数控系统使用脉冲环节，早期的产品抗干扰技术不过关，使用精度很大程度受到现场电网质量的影响。在谐波比较大的场合，如焊接设备、大功率变频器等，都会对设备造成影响。为此需要有效减少谐波设备的使用，并强化系统的抗干扰能力。
案例：数控磨床，加工时精度不稳定，不满足工艺要求。经过现场测试和分析，发现受到附近一台15KVA变频器的干扰，每当变频器启动时，加工精度即不合格。用示波器观察数控给定脉冲发现混入了大量谐波尖峰信号。后在信号端增加滤波电路，状况明显好转。
其实，数控系统还有很多调试问题和故障现象与系统架构有关，只要正确掌握设备的控制架构，了解架构中硬、软件的特征，就能正确选择分析和处理方向。