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1、对对直流伺服直流伺服CNC系系统统的的维维修解析修解析关键词：关键词：直流伺服系统、控制原理、维修解析、使用与保养内容提要：内容提要：本文从直流伺服系统的应用状况、控制原理的角度，归纳总结了直流伺服驱动系统的一般性维修保养方法。文章首先界定了直流伺服系统在生产中的特殊地位和应用价值。其次从其在整个控制系统中的作用来认识正确使用和维修好它的重要性。结合对一般直流伺服系统原理的介绍和部分维修实例，阐述了这类系统故障的分析判断和处理问题的思路。文章还对系统的相关参数设置和伺服系统的关系予以了介绍。最后，针对系统的特点，对其维修保养提出了有借鉴价值的建议。本文提出的一些关于直流伺服系统的分析方法、维修
2、管理措施，对我们的设备维修实践具有一定指导意义。我国从开始引进数控技术以来,直流伺服系统曾经是我国在步 进、直流、交流三类伺服控制技术中使用最广泛的控制技术。虽然 近年来已经逐步被交流伺服系统取代,但在服役设备中仍然占较大 比重。同时，有些特定场合，如对加工精度要求不高，对调速性能 要求较好的场合，使用直流伺服系统仍然是非常经济的。如简单的 输送、直线定位、分度、自动引导车（AGV）等。加上它控制相对简 单，维修较易于掌握等特点，因此，研究它仍有重要的现实意义。在一台数控设备中,伺服系统是整机机械及电气性能最关键、 最敏感的部分。对伺服系统的正常使用,直接关系到整机稳定性和 精度等重要技术指标
3、。这里,谨结合我们的实际经验和体会,对直流 伺服系统的原理、调试、维护等作一些剖析,望能起到抛砖引玉的 作用。一.伺服系统在CNC系统中的地位直流伺服系统实际上是一个速度调节系统。我们知道,数控系 统的目标调节量是位置，但优良的位置调节性能与该速度调节系 统有着极其密切的关系。图1至图3是CNC典型系统的原理框图。它分三类:指令脉冲比较 环节D/A 转换伺服 放大伺服 电机机械 系统光栅 尺等脉冲 处理1图1：脉冲比较伺服系统指令脉冲图2：幅值比较伺服系统指令脉冲 图3.相位比较伺服系统 亦即： 1.脉冲比较伺服系统。2.幅值比较伺服系统。3.相位比较伺服系统。由图可见,位置外环和计算机系统直
4、接关联。无论是哪一种系 统,均包含一个由模拟电平给定的伺服单元,它和电机及内环反馈 器件构成所谓伺服系统。可以说,伺服系统是整个数控系统位置随 动的执行机构。显然,其状态好坏直接关联到全系统的机电动静态 性能。正因为如此,伺服系统的良好维护也是我们必须予以研究的一 个重要课题.二.直流伺服系统的一般原理 以FANUC的A20C直流伺服系统为例,其原理框图如图4所示。比较 环节D/A 转换伺服 放大伺服 电机机械 系统旋转变 压器等鉴幅器U/f转换脉冲调 相器鉴相 电路 D/A 转换伺服 放大伺服 电机机械 系统旋转变 压器等滤波放大基准 信号PA()2图4：FANUC的A20直流伺服系统这是一
5、个速度、电流双闭环系统。可以看出，整个系统有两个给定：速度VCMD和方向S；及两个 反馈:转速TSA和电流CD。其中,VCMD和TSA构成速度外环,中间 电流给定Vc和CD构成电流内环。电路中,速度环采用了PI调节器, 以获得好的电机硬特性。电流环可以较好地平抑和调节电枢电流， 并通过对电流的调节来达到快速调节因负荷变化而带来的速度波 动的目的。 经放大器输出的调节信号PCMD用于对可控硅组触发电路进 行移相,最终控制电机的速度。当然,也可通过PWM电路去控制大 功率晶体管进行调速。 了解了伺服系统的工作原理,对其使用和维护将是非常有益的。 以下的各部分，将结合一些故障分析处理实例，来总结这类
6、系统的 一般维修保养方法。 三.伺服放大器的调整与维修一台已经投入使用的数控设备,只要维护和保养得好,就可以 较长时间内维持良好的状态。但因如下因素:1.各自的使用工况不同。2.具体环境中温度、湿度等的变化。3.元件的老化、参数的漂移。4.电网的异常扰动、冲击等。速度调 节器取绝对 值电路电流调 节器脉冲移 相电路脉冲变 压器组脉冲分 配电路分相驱 动电路速度给定VCMD速度反馈TSA电流检 测放大绝对值 电路方向控 制电路方向控制符号S电流反馈CD正转反转触发同 步电路M3均将造成伺服放大器不能正常使用。故障实例1:某数控车床。:系统无任何损坏,但使用中突然出现送电暴走,且不稳 定。:怀疑如
7、下可能:一是系统接成正反馈;二是反馈链开路, 系统无法自调;三是参数漂移,造成增益过大,动态不稳。:查线后排除“一“,模拟试验后排除“二“。如判断为“三“, 则主要应体现为动态时比静态更不稳定。加附加负载试验,使之停 止,即停止不动;加扰动则立即暴走。证明判断成立。降低主回路增益无效,加大速度反馈,暴走被抑制。各级运放重 新调零后恢复正常。如图5,实际处理时把S1、S2短路掉。CH2524K 53.6 ZD1 ZD2CH24CH18 1K 68KCH1 VCMD 15K 47K-CH2 TSA 4.7K 53.6K 26K 10K 16.9+ 10K VoutS1 S2 15K1K0.1图5：
8、直流伺服系统“暴走”故障的速度比较环节 故障实例2:某数控磨床。 :晶体管PWM驱动电路(非A20C)，因过流晶体管烧坏。 更换晶体管后,电机不能启动。 :一是放大器板主通道有元件损坏;二是外围控制条件 不满足。:经加假信号逐级用视波器检查,发现使能信号 ENABLE光电耦合芯片坏,使该信号无法加入。又中间二只运放芯 片坏,使主通路中断。更换元件并调整后正常。 由于相应电路过于繁锁,此处不予画出。 因此,我们认为,处理这类故障一般应考虑下面几点:41.怀疑元件损坏,应加信号或输入接地做调整观察,确认后换掉 坏器件。2.如为参数不合适,要根据电路原理,利用可能的调整点去调整 增益、延迟等参数。3
9、.修理时,各级放大器应重新调零。故障实例3:某数控磨床。:工作台进给时出现明显的不均匀串动,且有冲击声。:可能的原因:一是机械丝杠变形;二是反馈开路;三是增 益过大。:机械检查排除“一“,调整无效排除“三“;最后经查线发 现反馈器件旋转变压器励磁开路,使系统偏差量失真,速度调节不 稳定。四.驱动电路的维修最常用的直流伺服系统驱动电路有可控硅反并联连接及大功 率晶体管H型接法（PWM）两种(当然实际形式较多)。其电路分别 如图6、图7所示。+UsVT1 VD1 VD3 VT3VT2 VD2 VD4 VT4M图6：可控硅反并联驱动电路 图7：晶体管H型（PWM）驱动电路 它存在如下值得充分注意的问
10、题: 1.驱动电路直接驱动负载,各种过载和短路均会造成对驱动管M5的直接冲击，从而造成损坏。因此，必须经常检查和调整负荷，使 之保持状态良好。2.可控硅反并联电路的环流和直通均将造成器件损坏。这就 要求每次更换器件时，严格核对十二个触发点的接线顺序和状况， 避免造成上述故障。3H型晶体管电路对管子的一致性要求较高。特性不一致的 晶体管在使用频率和负荷较高时，容易因步调不一致而造成一侧 的两个晶体管同时导通，形成短路，使晶体管烧毁。故障实例4:某数控铣床。:可控硅反并联电路的晶闸管二只损坏。:滑台丝杠滚珠碎,造成机械过载。故障实例5:某数控磨床。:H型接法的晶体管在机械过载时损坏,更换替代管后
11、频繁烧毁晶体管。:代换晶体管的特性不如原器件,速度及过载能力不足, 配合不好,易出现一侧晶体管直通。+UsUab+Us VT1 VD1 VD3 VT3 t -UsidVT2 VD2 VD4 VT4Ts Ts内2、3管通图8：PWM电路直通故障分析如图8电路,PWM(脉宽调制)高电平时触发1-4管,低电平时触 发2-3管,负载电流大时,二极管的续流作用将使换流晶体管承受反 压,而不导通。但当负载较小时,因二极管续流时间短,将顺利换流。 如果管子差异性大,易于出现直通短路。M6因此,对这部分电路的维修应注意如下问题:1.经常检查机械负载,及各运动部件的润滑情况,对易损件应定 期组织拆修及更换。2.
12、电气严格整定热元件、保险器等外部保护器件的动作值,对 这些器件定期做例行检查整定。3.代换器件尽可能使用相同的器件,不能找到相同器件时,也须 充分考虑器件的开关速度和耐压耐过载能力。4.一般电路都有换向延迟,代换器件不理想,应考虑调整功率器 件的开关延迟环节。5.外部短路造成的功率器件损坏很多,因此器件损坏时要养成 检查外部可能的短路点的习惯,盲目换件只能扩大故障面积。五.参数的合理配置数控系统引入计算机控制大大地提高了系统的柔性,有利于提 高系统的综合能力。但却造成了我们容易忽视的一面,即软参数对 合理保护伺服系统的重要性。显然,如下参数是必须注意的:1.超程坐标：每一套数控系统都有这样一组
13、参数,用于设置每 个轴的运动极限。当到达极限点时,系统自动停止。这组参数对防 止超程,机械撞死限位,或防止机械损坏和电气过载有良好的作用。2.加减速时间：各类设备的具体负载特性不同,其合理设置将 减轻伺服系统的负担。3.伺服回路增益：不言而喻,它对整个系统的特性会产生直接 影响。过高的设置会使系统不稳定，过低则会造成系统驱动能力不 足，速度特性硬度变差而造成误差过大。4.电子热继电器：有些系统设置了这个参数。它可以对电机过 流起到保护作用。5.最大限速：可以防止误操作可能造成的损坏。事实上,一些高档系统可资利用的参数很多,只要我们合理加 以利用,就可以防止许多不必要的故障发生。六.日常保养正因
14、为伺服系统的状况直接关系到全系统的性能,但它又最易 于出现故障,因此养成良好的保养习惯是十分重要的。依据我们的实践经验,建议日常维护中做到:71.定期检查机械负载情况。2.定期检查电气保护器件的整定情况。3.定期校对参数。4.定期检查有关配线,对损坏的插接件予以更换。5.直流电机的炭刷要定期打磨配合,损坏严重必须更换。6.外围安装的电机、传感器、配线须注意防水。7.机床床身做良好的接地,以防止屏蔽地的感应电势造成器件 损坏和对系统形成干扰。对接地不好的场合,建议埋设接地体。8.对维修人员进行培训,使之掌握正确的维护方法和好的维修 习惯。综上,是我们在实践中对直流伺服系统的一些使用体会。一家 之言,不敢代万家之说,亟望同行者不吝指教。作者于2002-6-5_
