伺服系統淺析，伺服系統的分類(lèi)、結構組成與技術(shù)要求

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

　　伺服系統是根據輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制的。因此伺服系統的工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程。

　　伺服控制的實(shí)例隨處可見(jiàn)，如工人操作機床進(jìn)行加工時(shí)，必須用眼睛始終觀(guān)察加工過(guò)程的進(jìn)行情況，通過(guò)大腦對來(lái)自眼睛的反饋信息進(jìn)行處理，決定下一步如何操作，然后通過(guò)手搖動(dòng)手輪，驅動(dòng)工作臺上的工件或刀具來(lái)執行大腦的決策，消除加工過(guò)程中出現的偏差，最終加工出符合要求的工件。在這個(gè)例子中，檢測、反饋與控制等功能是通過(guò)人來(lái)實(shí)現的，而在伺服系統中，這些功能都要通過(guò)傳感器、控制及信息處理裝置等來(lái)加以實(shí)現。如數控機床的伺服系統中，位置檢測傳感器、數控裝置和伺服電動(dòng)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（如數控機床、工業(yè)機器人等），需要對輸出量進(jìn)行跟蹤控制，因而伺服系統是機電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，而且往往是實(shí)現某些產(chǎn)品目的功能的主體。伺服系統中離不開(kāi)機械技術(shù)和電子技術(shù)的綜合運用，其功能是通過(guò)機電結合才得以實(shí)現的，因此，伺服系統本身就是一個(gè)典型的機電一體化系統。

　　伺服系統的分類(lèi)

　　按調節理論分類(lèi)

　　1.開(kāi)環(huán)伺服系統

　　開(kāi)環(huán)伺服系統即無(wú)位置反饋的系統，其驅動(dòng)元件主要是功率步進(jìn)電機或液壓脈沖馬達。這兩種驅動(dòng)元件的工作原理的實(shí)質(zhì)是數字脈沖到角度位移的變換，它不用位置檢測元件實(shí)現定位，而是靠驅動(dòng)裝置本身，轉過(guò)的角度正比與指令脈沖的個(gè)數；運動(dòng)速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定。

　　開(kāi)環(huán)伺服系統的結構簡(jiǎn)單，易于控制，但精度差，低速不平穩，告訴扭矩小。一般用于輕載負載變化不大或經(jīng)濟型數控機床上。

　　2.閉環(huán)伺服系統

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

　　由于閉環(huán)伺服系統是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，所以系統傳動(dòng)鏈的誤差，環(huán)內各元件的誤差以及運動(dòng)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

　　位置檢測元件不直接安裝在進(jìn)給坐標的最終運動(dòng)部件上，而是中間經(jīng)過(guò)機械傳動(dòng)部件的位置轉換，稱(chēng)為間接測量。亦即坐標運動(dòng)的傳動(dòng)鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，在環(huán)外的傳動(dòng)誤差沒(méi)有得到系統的補償，因而這種伺服系統的精度低于閉環(huán)系統。

　　半閉環(huán)和閉環(huán)系統的控制結構是一致的，不同點(diǎn)只是閉環(huán)系統環(huán)內包括較多的機械傳動(dòng)部件，傳動(dòng)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(dòng)以及其它因素的影響，系統穩定性難以調整。此外，機床運行一段時(shí)間后，由于機械傳動(dòng)部件的磨損、變形以及其它因素的改變，容易使系統穩定性改變，精度發(fā)生變化。因此，目前使用半閉環(huán)系統較多。只在具備傳動(dòng)部件緊密度高、性能穩定、使用過(guò)程溫差變化不大的高精度數控機床上使用全閉環(huán)伺服系統。

　　按使用直流伺服電機和交流伺服電機分按使用驅動(dòng)元件分類(lèi)

　　1.直流伺服系統

　　直流伺服系統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(chēng)為大慣量寬調速直流伺服電機）。小慣量伺服電機最大限度地減少了電樞的轉動(dòng)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速和低的慣量，所以應用時(shí)，要經(jīng)過(guò)中間機械傳動(dòng)（如齒輪副）才能與絲杠相連接。

　　2.交流伺服系統

　　交流伺服系統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(zhù)固有的圈點(diǎn)，使其應用環(huán)境受到限制。交流伺服電機沒(méi)有這些缺點(diǎn)，且轉子慣量較直流電機小，使得動(dòng)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，達到更高的轉速和電壓。

　　按進(jìn)給驅動(dòng)和主軸驅動(dòng)分類(lèi)

　　1.進(jìn)給伺服系統

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

　　2.主軸伺服系統

　　嚴格來(lái)說(shuō)，一般的主軸控制只是一個(gè)速度控制系統。主要實(shí)現主軸的旋轉運動(dòng)，提供切削過(guò)程中的轉矩和功率，且保證任意轉速的調節，完成在轉速范圍內的無(wú)極變速。具有C軸控制的主軸與進(jìn)給伺服系統一樣，為一般概念的位置伺服控制系統。

　　伺服系統的結構組成

　　機電一體化的伺服控制系統的結構、類(lèi)型繁多，但從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統一般包括控制器、被控對象、執行環(huán)節、檢測環(huán)節、比較環(huán)節等五部分。下圖給出了伺服系統組成原理框圖。

　　1.比較環(huán)節

　　比較環(huán)節是將輸入的指令信號與系統的反饋信號進(jìn)行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節，通常由專(zhuān)門(mén)的電路或計算機來(lái)實(shí)現。?

　　2.控制器

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

　　3.執行環(huán)節

　　執行環(huán)節的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉化成機械能，驅動(dòng)被控對象工作。機電一體化系統中的執行元件一般指各種電機或液壓、氣動(dòng)伺服機構等。

　　4.被控對象

　　5.檢測環(huán)節

　　檢測環(huán)節是指能夠對輸出進(jìn)行測量并轉換成比較環(huán)節所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉換電路。

　　伺服系統的技術(shù)要求

　　1.系統精度

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

　　2.穩定性

　　伺服系統的穩定性是指當作用在系統上的干擾消失以后，系統能夠恢復到原來(lái)穩定狀態(tài)的能力；或者當給系統一個(gè)新的輸入指令后，系統達到新的穩定運行狀態(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，決定了系統的工作效率。響應速度與許多因素有關(guān)，如計算機的運行速度、運動(dòng)系統的阻尼和質(zhì)量等。

　　4.工作頻率

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