伺服系統(tǒng)淺析，伺服系統(tǒng)的分類、結構組成與技術要求

　　伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。大多數(shù)伺服系統(tǒng)具有檢測反饋回路，因而伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)。按照反饋控制理論，伺服系統(tǒng)需不斷檢測在各種擾動作用下被控對象輸出量的變化，與指令值進行比較，并用兩者的偏差值對系統(tǒng)進行自動調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被控對象輸出量始終跟蹤輸入的指令值。

　　伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進行動作控制的。因此伺服系統(tǒng)的工作過程是一個偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動態(tài)過渡過程。

　　伺服控制的實例隨處可見，如工人操作機床進行加工時，必須用眼睛始終觀察加工過程的進行情況，通過大腦對來自眼睛的反饋信息進行處理，決定下一步如何操作，然后通過手搖動手輪，驅(qū)動工作臺上的工件或刀具來執(zhí)行大腦的決策，消除加工過程中出現(xiàn)的偏差，最終加工出符合要求的工件。在這個例子中，檢測、反饋與控制等功能是通過人來實現(xiàn)的，而在伺服系統(tǒng)中，這些功能都要通過傳感器、控制及信息處理裝置等來加以實現(xiàn)。如數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，位置檢測傳感器、數(shù)控裝置和伺服電動機分別取代了人的眼睛、大腦和手的功能。

　　許多機電一體化產(chǎn)品（如數(shù)控機床、工業(yè)機器人等），需要對輸出量進行跟蹤控制，因而伺服系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品的一個重要組成部分，而且往往是實現(xiàn)某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統(tǒng)中離不開機械技術和電子技術的綜合運用，其功能是通過機電結合才得以實現(xiàn)的，因此，伺服系統(tǒng)本身就是一個典型的機電一體化系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)的分類

　　按調(diào)節(jié)理論分類

　　1.開環(huán)伺服系統(tǒng)

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)即無位置反饋的系統(tǒng)，其驅(qū)動元件主要是功率步進電機或液壓脈沖馬達。這兩種驅(qū)動元件的工作原理的實質(zhì)是數(shù)字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測元件實現(xiàn)定位，而是靠驅(qū)動裝置本身，轉(zhuǎn)過的角度正比與指令脈沖的個數(shù)；運動速度由進給脈沖的頻率決定。

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)的結構簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，告訴扭矩小。一般用于輕載負載變化不大或經(jīng)濟型數(shù)控機床上。

　　2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)

　　閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動隨動系統(tǒng)。數(shù)控機床進給系統(tǒng)的誤差，是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)運動執(zhí)行元件不能反映運動的位置，因此需要有位置檢測裝置。該裝置測出實際位移量或者實際所處的位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進行比較，求得誤差，依次構成閉環(huán)位置控制。

　　由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差，環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，從而大大提高了跟隨精度和定位精度。

　　3.半閉環(huán)系統(tǒng)

　　位置檢測元件不直接安裝在進給坐標的最終運動部件上，而是中間經(jīng)過機械傳動部件的位置轉(zhuǎn)換，稱為間接測量。亦即坐標運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，因而這種伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。

　　半閉環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的控制結構是一致的，不同點只是閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)內(nèi)包括較多的機械傳動部件，傳動誤差均可被補償。理論上精度可以達到很高。但由于受機械變形、溫度變化、振動以及其它因素的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定性難以調(diào)整。此外，機床運行一段時間后，由于機械傳動部件的磨損、變形以及其它因素的改變，容易使系統(tǒng)穩(wěn)定性改變，精度發(fā)生變化。因此，目前使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。只在具備傳動部件緊密度高、性能穩(wěn)定、使用過程溫差變化不大的高精度數(shù)控機床上使用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

　　按使用直流伺服電機和交流伺服電機分按使用驅(qū)動元件分類

　　1.直流伺服系統(tǒng)

　　直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電機有小慣量直流伺服電機和永磁直流伺服電機（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機）。小慣量伺服電機最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動慣量，所以能獲得最好的快速性。小慣量伺服電機一般都設計成有高的額定轉(zhuǎn)速和低的慣量，所以應用時，要經(jīng)過中間機械傳動（如齒輪副）才能與絲杠相連接。

　　2.交流伺服系統(tǒng)

　　交流伺服系統(tǒng)使用交流異步伺服電機和永磁同步伺服電機。由于直流伺服電機存在著固有的圈點，使其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電機沒有這些缺點，且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機小，使得動態(tài)響應好。另外在同體積條件下，交流電機的輸出功率可比直流電機提高10％～70％。還有交流電機的容量可以比直流電機造的大，達到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。

　　按進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動分類

　　1.進給伺服系統(tǒng)

　　進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能。

　　2.主軸伺服系統(tǒng)

　　嚴格來說，一般的主軸控制只是一個速度控制系統(tǒng)。主要實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無極變速。具有C軸控制的主軸與進給伺服系統(tǒng)一樣，為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。

　　伺服系統(tǒng)的結構組成

　　機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結構、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。下圖給出了伺服系統(tǒng)組成原理框圖。

　　1.比較環(huán)節(jié)

　　比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。?

　　2.控制器

　　控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。

　　3.執(zhí)行環(huán)節(jié)

　　執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構等。

　　4.被控對象

　　5.檢測環(huán)節(jié)

　　檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。

　　伺服系統(tǒng)的技術要求

　　1.系統(tǒng)精度

　　伺服系統(tǒng)精度指的是輸出量復現(xiàn)輸入信號要求的精確程度，以誤差的形式表現(xiàn)，可概括為動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差三個方面組成。

　　2.穩(wěn)定性

　　伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力；或者當給系統(tǒng)一個新的輸入指令后，系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。

　　3.響應特性

　　響應特性指的是輸出量跟隨輸入指令變化的反應速度，決定了系統(tǒng)的工作效率。響應速度與許多因素有關，如計算機的運行速度、運動系統(tǒng)的阻尼和質(zhì)量等。

　　4.工作頻率

　　工作頻率通常是指系統(tǒng)允許輸入信號的頻率范圍。當工作頻率信號輸入時，系統(tǒng)能夠按技術要求正常工作；而其它頻率信號輸入時，系統(tǒng)不能正常工作。