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

　　伺服驅動(dòng)系統是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動(dòng)控制系統，例如數控機床等。伺服系統中的驅動(dòng)電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動(dòng)慣量（ 機電系統中的伺服電機的轉動(dòng)慣量較大，為了能夠和絲杠等機械部件直接相連，也為了得到極高的響應速度，伺服電機有一種專(zhuān)門(mén)的小慣量電機。

　　但這類(lèi)電機的過(guò)載能力低，當使用在進(jìn)給伺服系統中時(shí)，必須加減速裝置。轉動(dòng)慣量反映了系統的加速度特性，在選擇伺服電機時(shí)，系統的轉動(dòng)慣量不能大于電機轉動(dòng)慣量的3倍。）較大等特點(diǎn)，這類(lèi)專(zhuān)用的電機稱(chēng)為伺服電機。當然，其基本工作原理和普通的交直流電機沒(méi)有什么不同。該類(lèi)電機的專(zhuān)用驅動(dòng)單元稱(chēng)為伺服驅動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為伺服，一般其內部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。

　　伺服驅動(dòng)系統的基本概念

　　伺服系統是數控機床的重要組成部分，是連接數控裝置（計算機）和機床之間的關(guān)鍵橋梁，伺服系統的性能在很大程度上決定了數控機床的性能，如數控機床的定位精度、跟蹤精度、最高移動(dòng)速度等重要指標。建議我們先來(lái)學(xué)習一些基礎概念，再學(xué)習各種進(jìn)給伺服系統的控制方式。深刻理解掌握這部分知識，會(huì )對更好的學(xué)習后面的數控加工工藝有一定的幫助。

　　1、進(jìn)給伺服系統

　?。?）組成

　　進(jìn)給伺服系統是以機床移動(dòng)部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統，通常由伺服驅動(dòng)裝置、伺服電機、機械傳動(dòng)機構及執行部件組成。 見(jiàn)圖1所示。

　?。?） 作用

　　接受數控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅動(dòng)裝置作一定的轉換和放大后，經(jīng)伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進(jìn)電機等）和機械傳動(dòng)機構，驅動(dòng)機床的工作臺等執行部件實(shí)現工作進(jìn)給或快速運動(dòng)。

　?。?） 基本技術(shù)要求

　?、?精度高

　?、?穩定性好

　?、?快速響應

　?、?調速范圍寬

　?。?）分類(lèi)

　?、?步進(jìn)電機驅動(dòng)系統

　?、?直流伺服驅動(dòng)系統：永磁直流伺服電動(dòng)機

　?、?交流伺服驅動(dòng)系統：永磁交流伺服電動(dòng)機

　　2、開(kāi)環(huán)控制伺服系統

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

　　3、半閉環(huán)控制伺服系統

　　采用旋轉型角度測量元件（脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器等）和直流伺服電動(dòng)機按照反饋控制原理構成的位置伺服系統，其控制原理見(jiàn)圖33所示。

　　4、閉環(huán)控制伺服系統

　　其控制原理見(jiàn)圖4。

　　進(jìn)給伺服系統是數控系統主要的子系統。如果說(shuō)CNC裝置是數控系統的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統則是數控系統的“四肢”，是一種“執行機構”。它忠實(shí)地執行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運動(dòng)命令，精確控制執行部件的運動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。

　　伺服驅動(dòng)系統的組成

　　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、功率放大、執行元件、機械部件等幾部分。下圖給出了系統組成原理框圖。

　　1、控制器 通常是計算機或PID控制電路，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。

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

　　3、執行元件 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、機械部件 是指被控制的機構或裝置，是直接完成系統目的的主體。一般包括傳動(dòng)系統、執行裝置和負載。

　　5、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。

　　在實(shí)際的伺服控制系統中，上述的每個(gè)環(huán)節在硬件特征上并不獨立，可能幾個(gè)環(huán)節在一個(gè)硬件中，如測速直流電機即是執行元件又是檢測元件。

　　伺服驅動(dòng)系統的分類(lèi)

　　數控機床的伺服驅動(dòng)系統按其用途和功能分為進(jìn)給驅動(dòng)系統和主軸驅動(dòng)系統；按其控制原理和有無(wú)位置檢測反饋環(huán)節分為開(kāi)環(huán)系統和閉環(huán)系統；按驅動(dòng)執行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅動(dòng)系統和電氣伺服驅動(dòng)系統。電氣伺服驅動(dòng)系統又分為直流伺服驅動(dòng)系統和交流伺服驅動(dòng)系統。

　　1.進(jìn)給驅動(dòng)與主軸驅動(dòng)

　　進(jìn)給驅動(dòng)是用于數控機床工作臺或刀架坐標的控制系統，控制機床各坐標軸的切削進(jìn)給運動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的轉矩。主軸驅動(dòng)控制機床主軸的旋轉運動(dòng)，為機床主軸提供驅動(dòng)功率和所需的切削力。一般地，對于進(jìn)給驅動(dòng)系統，主要關(guān)心它的轉矩大小、調節范圍的大小和調節精度的高低，以及動(dòng)態(tài)響應速度的快慢。對于主軸驅動(dòng)系統，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調節范圍及速度調節范圍。

　　2.開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制

　　數控機床伺服驅動(dòng)系統按有無(wú)位置反饋分兩種基本的控制結構，即開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。由此形成位置開(kāi)環(huán)控制系統和位置閉環(huán)控制系統。閉環(huán)控制系統又可根據位置檢測裝置在機床上安裝的位置不同，進(jìn)一步分為半閉環(huán)伺服驅動(dòng)控制系統和全閉環(huán)伺服驅動(dòng)控制系統。若位置檢測裝置安裝在機床的工作臺上，構成的伺服驅動(dòng)控制系統為全閉環(huán)控制系統；若位置檢測裝置安裝在機床絲杠上，構成的伺服驅動(dòng)控制系統則為半閉環(huán)控制系統?，F代數控機床的伺服驅動(dòng)多采用閉環(huán)控制系統。開(kāi)環(huán)控制系統常用于經(jīng)濟型數控或老設備的改造。

　　3.直流伺服驅動(dòng)與交流伺服驅動(dòng)

　　直流大慣量伺服電機具有良好的寬調速性能，輸出轉矩大，過(guò)載能力強，而且，由于電機慣性與機床傳動(dòng)部件的慣量相當，構成閉環(huán)后易于調整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調制驅動(dòng)裝置，比較適應數控機床對頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個(gè)最大的特點(diǎn)是具有電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應用受到限制。

　　進(jìn)入1980年代，在電機控制領(lǐng)域交流電機調速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅動(dòng)系統大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅動(dòng)系統的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機容易維修，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)，從減少伺服驅動(dòng)系統外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電機比直流電機將更合理。