伺服控制器的原理和维修

近来有同行朋友探讨伺服器的维修，而大多维修界的前辈们，总把维修伺服器看得很神秘，很高深的样子，对技术是守口如瓶。我想在这里抛砖引玉，探讨伺服器的原理和维修。
我是一个搞工业控制设备维修的，专长是硬件维修。工业设备最初源起欧美，发扬于日本，所以无论理论也好，设计也罢，都绕不开国外这个词。在如今网络，软件，物联网，虚拟现实的今天，很多人对硬件维修人员，大多嗤之以鼻。以为就是个玩玩烙铁的体力活，没多少技术含量，其实硬件维修道路艰险且漫长，需要了解的实在很多。
硬件是工业控制设备中重中之重的课题，是虚实交互的桥梁，没这座桥一切都是空谈，是绕不开的执行工具，硬件质量的好坏，直接关系到处理结果。现在世界上顶级的工控设备生产商，都在向模块化生产靠拢。
什么是模块化呢？简单点说就是：把一个设备分拆为几个部分，每个部份，集成起来生产组合起来。这样的好处是，可尽量控制设备的故障范围，节省维护成本，同时拓展了用途。这点在需要联控的领域优势非常的明显。
很多人进入工业设备维修的领域，都是从修变频器开始的，也有人认为会修变频器就会修所有的工业控制设备，其实，这仅仅是一个开始。当然，入门级变频器包括了强电/微电电路/反馈取样/本地远程控制等基本功能。通常用在要求运转精度不高的场合，比如供水，调速等场合。但一些精确控制场合就不同了，要知道工业控制的精髓就是，精确控制。没有精确度，纵使外观漂亮大气，吹得如何天花乱坠，你的产品还是低级产品。有精度要求的场合，比如我们常常乘坐的电梯，起重，造纸，冶金，纺织等有严格要求的场合，普通变频器就往往不能胜任了。这时，就要求伺服控制器登场了。
伺服控制器有那么神乎其神吗？也别把那东西想得那么复杂，伺服的基本条件是闭环控制。什么是闭环控制？无非就是和输出马达组合成一个环路，有反馈而已。变频器也有反馈，比如电流传感器就是。伺服的反馈要求更苛刻一些，要求电机每转动一下的位置信息主控制板都要知道。通俗点说就是：快了就慢下来，慢了就加快一点。这个说起来容易做起来难，要知道动态，惯性，负载变化都在瞬息万变，马达那边出了什么幺蛾子，控制器马上就知道，而且要做出对应的处理措施，这并不是一件容易的事。
于是第二个问题就出来了，那就是响应问题。所谓的响应，就如人与人之间的对话，一问一答。马达运行起来那是每分钟几千转的问题，这就是所谓的高速响应。马达的编码器担负起和主控板之间的对话。编码器制造商按要求将编码器演算成脉冲，马达转一圈，很可能编码器就输出了几千个脉冲，这个脉冲以原始位置为起点，每一个脉冲代表一个位置。你也可以这样理解，编码器每圈输出的脉冲越多，定位越准确，误差越小。当然以上说的指示一个概念，实际的软件算法，硬件制造工艺要求，那是相当的复杂的。不过那对与维修工程人员来说，用处不大，但需了解原理。
光说理论没用，维修的时候，还会遇上各种编码器，什么绝对编码器，增量编码器，通讯式编码器，旋转变压器等等。所以有人说，工业设备的维修技术，一半是理论，一半是经验。在现实维修中，很多事情是没时间给你去慢慢推敲理论，客户要你一看故障结果，就需要判断出故障点。个人经验，在日本美国产品中，习惯用编码器作为反馈器件，代表如三菱，安川，松下等等。欧洲的一些顶级伺服制造商，非常习惯用旋变（解析器）作为反馈器件，比如伦茨，路斯特，科比等等。对于反馈器件的使用，不敢说谁更胜一筹。但稳定性来说，旋转变压器应该稳定一些。但旋变的a/d运算复杂，制作成本也较高，所以一般都只出现在高级的伺服控制器中。
伺服控制器维修，怎样分析故障？
伺服器的维修，和变频器最大的不同就是没有马达无法试机，而作为维修公司，你不可能备有所有型号的伺服马达，试机是一个绕不开的坎。更让人恼火的是，你不连接编码器，编码器的故障报警会掩盖其他所有故障报警。我的做法是先询问客户，伺服器现场故障情况，比如现场根本没有出现过编码器相关的故障信息，维修时，你就根本不用考虑编码器问题。报警过载过流，电压低，无法定位，无法启动这些故障，我一般直接找故障点，然后反向推理一到两步，为什么会出现这个故障报警。
下面说几个列子，来分析一下维修伺服器的思路。
1.一台伦茨93es系列伺服器，客户说速度不稳定，电流时大时小，然后出现过载，客户还说编码器已经换了，强调编码器是好的。
伺服器能运行起来，那就证明输出驱动，IGBT没有问题的，电流不稳定，一般来说是电流取样电路的故障。但伦茨有一个缺点，就是只使用了两相电流传感器，如果其中的一个传感器有了故障，一般功率模块也就报废了。虽然纳闷，也没有深究，先拆下模块，做霍尔动态检测，波形，幅值完全正常。不放心，将驱动6个桥臂全部检查，也正常。余下的就是主板的反馈输入接口了。经过反复检测，也正常。于是装机，开环带灯，正常，试电机也正常。一个上午过去了，可以说没有找到故障，于是让客户拿走。
客户回去不久就打电话，说故障依旧。事情蹊跷，这下必须得去现场了。到了现场，让客户开机，空载正常，低速也正常，但电流也波动。经过仔细观察，居然被我看出了问题，原来客户修改了生产产品规格，由于位置的改变，工厂电工将增量编码器改为了软连接，且中点不同心了。低速的时候还是可以的，高速的时候造成抖动，使编码器输出信号出错。
纠正了客户使用方式，一切恢复正常。记住，伺服器是软硬件和外部设备相连接起控的，当自己费了九牛二虎之力也没找到故障时，就该考虑一下外部有没有问题了。
2.一个客户发了台路斯特C系列伺服器过来维修，故障是使用时出现过载停机，每次故障前，马达会出现震动和噪声。停机一段时间又可以开机。
德国路斯特伺服器性能可靠，唯一一个缺点是容易掉用户程序。能冷机开机，让人很容易想到是不是散热的问题。当接到用户发过来的伺服器后，我打消了这个想法。一来这个伺服器较小，只有400w，根本没有散热风扇。二是详细询问后发现，出现故障的时间不定。如果伺服器散热故障，一般时间是固定的，不如说使用二十分钟一定报警。开机后发现，a/d转换芯片的供电电阻已经烧焦，测量仅阻值变大而已，电压小了，换新后，供电电压恢复正常。但经过分析，这个故障点和过载报警根本扯不上什么关系。路斯特马达一般采用旋变反馈，旋变是很不容易出现问题的。自己维修那么多，旋变从来没坏过，检查编码器连线，居然发现了一条电缆是半开路的，心里一喜，以为找到了故障。因为有匹配的电机，那就试机吧。切换到手动状态，闭合启动，将转速设定到2000转，然后关门下班。第二天一早查看，电机转速正常，马达温度也正常。于是拍下视频发给客户验收，付款发货。
回去没有两天，客户就打来电话，说故障依旧，这下傻眼了，怎么可能呢？后来经过和客户反复沟通，原来还是编码器线故障。因为我查出故障这条编码器线原来换过，我修复发回后，工厂技术人员懒得去拆那条编码器线，结果故障还是那个故障。换线后，设备正常工作。对于远方的客户，我一般修复会拍视频，型号，系列号，运行状态，给客户验收，然后再收款发货。但有的时候，测试正常和现场使用一定要沟通好。
3.有客户拿了一台提花机专用，叫answer（安速）伺服器过来维修，故障是没有显示。answer这个品牌，是松下伺服的血脉演化而来的，程序架构和应用都差不多。因为提花机已经国产且伺服用量较大，安速这个品牌就和提花机滋润的活到了现在。
没显示肯定电源出了故障，伺服器为了节省空间，很多都采用集成式电源ic，其中又以top24x型号的芯片最多。top24xy的芯片脚位一样，可以通用，不同的型号无非就是输出功率不同而已。换掉top246y，电源正常，测电流检测环路正常，让用户取走。上机，居然报警13，13是母线电压过低，调换控制器工作正常。看样子的确还有故障，拿回来检测母线取样电路，发现母线检测正常。百思不得其解，只得将硬件通路重新检测一番。影响伺服的硬件工作条件的故障依序是：编码器，母线检测，温度检测，电流检测，驱动电路。用排除法一一排除，最后锁定在驱动输出上。我的理由是：伺服输出报警13，可能是输出电流过大，电流过大电压降低，由于伺服没有旋转起来，此时电压检测优先于电流检测。目标清晰了以后，仔细查看，最后故障果然出现在驱动光耦上pc929上，换新，故障排除。
实践告诉我，有的故障报警，是互相关联的，逻辑上存在优先报警级别。有时自己看到的故障提示，并不是故障本身。伺服器维修，其实也没那么复杂，真要遇上了复杂的故障，也大可不必惊慌，大不了带马达测试再维修。
作为维修人员来说，原理是必需要知道的，弄懂工作原理可以参考相关的技术书籍。现场使用需要会一点点（应用工程师需要熟悉应用，这点和维修不同），我的经验是反复看一个牌子的使用手册，看懂了不敢说一通百通，但对同品牌的伺服控制器，本来就有很多相通的地方，完全可以灵活借鉴。故障优先级别需要在实践中去总结，凡事往后推理三步，一切原形毕露！反馈器件类型很多，按说明书选择即可。工业制造在不断的升级，伺服控制器用得越来越普遍，对维修工程师来说，大多数的伺服其实是不需要匹配马达测试，就能找到故障点的。
只要你明白了这些，哈哈，套用徐志摩先生话说就是：你不必讶异，更无须惊喜，在转瞬间修好了一个伺服器……