什么是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)？伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本概念及其組成分類(lèi)

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ 機(jī)電系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了能夠和絲杠等機(jī)械部件直接相連，也為了得到極高的響應(yīng)速度，伺服電機(jī)有一種專門(mén)的小慣量電機(jī)。

　　但這類(lèi)電機(jī)的過(guò)載能力低，當(dāng)使用在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，必須加減速裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的3倍。）較大等特點(diǎn)，這類(lèi)專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒(méi)有什么不同。該類(lèi)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本概念

　　伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，是連接數(shù)控裝置（計(jì)算機(jī)）和機(jī)床之間的關(guān)鍵橋梁，伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能，如數(shù)控機(jī)床的定位精度、跟蹤精度、最高移動(dòng)速度等重要指標(biāo)。建議我們先來(lái)學(xué)習(xí)一些基礎(chǔ)概念，再學(xué)習(xí)各種進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式。深刻理解掌握這部分知識(shí)，會(huì)對(duì)更好的學(xué)習(xí)后面的數(shù)控加工工藝有一定的幫助。

　　1、進(jìn)給伺服系統(tǒng)

　?。?）組成

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件（如工作臺(tái)）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 見(jiàn)圖1所示。

　?。?） 作用

　　接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運(yùn)動(dòng)。

　?。?） 基本技術(shù)要求

　?、?精度高

　?、?穩(wěn)定性好

　?、?快速響應(yīng)

　?、?調(diào)速范圍寬

　?。?）分類(lèi)

　?、?步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　?、?直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)

　?、?交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)

　　2、開(kāi)環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　開(kāi)環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床中最簡(jiǎn)單的伺服系統(tǒng)，執(zhí)行元件一般為步進(jìn)電機(jī)，其控制原理如圖2所示。

　　3、半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　采用旋轉(zhuǎn)型角度測(cè)量元件（脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器等）和直流伺服電動(dòng)機(jī)按照反饋控制原理構(gòu)成的位置伺服系統(tǒng)，其控制原理見(jiàn)圖33所示。

　　4、閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

　　其控制原理見(jiàn)圖4。

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說(shuō)CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

　　機(jī)電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、功率放大、執(zhí)行元件、機(jī)械部件等幾部分。下圖給出了系統(tǒng)組成原理框圖。

　　1、控制器 通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路，主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)作。

　　2、功率放大 是將輸入的指令信號(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較后進(jìn)行功率放大。

　　3、執(zhí)行元件 作用是按控制信號(hào)的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作。機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓、氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等。

　　4、機(jī)械部件 是指被控制的機(jī)構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目的的主體。一般包括傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載。

　　5、檢測(cè)環(huán)節(jié) 是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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。

　　在實(shí)際的伺服控制系統(tǒng)中，上述的每個(gè)環(huán)節(jié)在硬件特征上并不獨(dú)立，可能幾個(gè)環(huán)節(jié)在一個(gè)硬件中，如測(cè)速直流電機(jī)即是執(zhí)行元件又是檢測(cè)元件。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)

　　數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按其控制原理和有無(wú)位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

　　1.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)

　　進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動(dòng)控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)功率和所需的切削力。一般地，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。

　　2.開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按有無(wú)位置反饋分兩種基本的控制結(jié)構(gòu)，即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。由此形成位置開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)又可根據(jù)位置檢測(cè)裝置在機(jī)床上安裝的位置不同，進(jìn)一步分為半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和全閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。若位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，構(gòu)成的伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為全閉環(huán)控制系統(tǒng)；若位置檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床絲杠上，構(gòu)成的伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)則為半閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)多采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)常用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控或老設(shè)備的改造。

　　3.直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)

　　直流大慣量伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且，由于電機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機(jī)及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)裝置，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。但直流電機(jī)一個(gè)最大的特點(diǎn)是具有電刷和機(jī)械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應(yīng)用受到限制。

　　進(jìn)入1980年代，在電機(jī)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電機(jī)比直流電機(jī)將更合理。